答辩题目：五相容错永磁同步电机速度伺服系统关键技术研究
答辩人：李添幸
答辩时间：2021年10月23日，10：00-12：00
答辩地点：西工大创新大厦A座1203
答辩内容简介：
目前，三相PMSM电驱动系统在航空机载设备中得到了广泛的应用。然而，由于其较低的功率密度、较大的转矩脉动及可靠性不足等问题，制约其在航空领域中的进一步发展。五相PMSM不仅继承了三相PMSM所有优点，还具备更强的容错能力以及更高的功率密度，并且其转矩脉动的幅度约为三相电机的三分之一，对于航空、航天设备具有重大研究与应用价值。与此同时，飞机在航行过程中，运行在恶劣环境中，当受到高低温、频繁起停等因素的影响时，电机的电阻、电感、磁链等参数会发生变化，从而导致基于标称模型设计的电驱动系统参数的失配，使其控制性能降低。为此，本文以具有代表性的两电平电压型逆变器—表贴式五相PMSM作为研究对象，从五相PMSM模型预测控制算法、脉宽调制技术、开路故障诊断以及开路故障容错控制四个方面展开研究，具体研究内容可以分为以下五部分：
1）、为了减轻由于滚动优化次数增加和预测模型增加的计算量，采用一种基于虚拟电压矢量的FCS-MPC控制算法，通过对32个基础电压矢量进行分析，得到合成的虚拟电压矢量的最佳方式，从而实现滚动优化次数的减少。同时，通过设定参与合成的基础电压矢量的作用时间比，从而实现对相电流中三次谐波电流分量的抑制，减少预测模型的个数。此外，基于代价函数分析了电阻、电感以及磁链等参数失配情况下对滚动优化结果的影响，针对电机参数失配拟采用一种基于VG-STA的二阶SMO对预测模型的扰动进行补偿，以提高FCS-MPC控制对参数摄动的鲁棒性。
2）、为了提高五相容错PMSM速度环的响应速度，提出一种基于无差拍控制理论串联结构的速度、电流预测控制。分析DB-MPC在工程化过程中所遇到的离散化误差、系统延迟以及参数扰动等问题，在传统补偿方法上进行改进，提出相应的解决方案。分析电机在起动过程中，转矩观测器对DB-MPC的影响，并提出一种转速参考轨迹规划，以降低转矩观测器在五相容错PMSM起动过程中对系统的冲击。
3）、分析三次谐波电流控制对电磁转矩的影响，以铜耗不变和MCU作为约束条件，得到基波与三次谐波电流参考值的计算方法。分析5次谐波电压对母线电压利用率和中性点电压纹波的影响，给出是否注入5次谐波电压的判定依据。在此基础上对，d-qSVPWM，双d-qSVPWM以及多维度SVPWM三种脉宽调制技术进行改进，使其可以实现5次谐波电压的控制。
4）、针对五相永磁电机的单相(双相)开路故障，提出一种基于电流轨迹分布特点的故障诊断策略。首先，分析开路故障发生前、后逆变器端电压的输出特性，得到15种故障状态和正常状态下，基波电流在α-β子空间的表达式。分析出正常状态下基波电流在α-β子空间中的轨迹分布特征。其次，根据不同故障状态下逆变器端电压的输出特性，得到15种开路故障状态下，三次谐波电流在基波旋转坐标系的轨迹分布特点。在此基础上，进一步分析电机转速、负载转矩对三次谐波电流轨迹的影响。最后，根据基波电流在α-β子空间的轨迹分布特征以及三次谐波电流在基波旋转坐标系的轨迹分布特征，得到一种开路故障诊断策略。
5）、根据故障前、后磁场不变原则，确定容错控制的适用范围，并给出适用范围内不同种开路故障的参考电流。根据开路故障下电机的数学模型，选取基于静止坐标系的控制算法进行容错控制。为了提高容错控制策略在不同开路故障下的通用性，减少对正常状态下控制算法的变动，基波电流拟采用DB-MPCC控制方式。由于在基于静止坐标系中电流为正、余弦信号，因此，为了提高三次谐波电流对给定信号的跟踪能力，三次谐波拟采用比例谐振控制器进行调节。
答辩人简介：
李添幸,男，西北工业大学自动化学院2015级博士研究生，专业电气工程，主要研究方向为多相电机控制研究。
