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文献综述（或调研报告）： 研究背景 近几十年来，三相电力驱动一直是工业驱动的主流。然而，对于大功率和/或大电流应用，如电动/混合动力汽车、可再生能源发电、航空航天应用和船舶推进等领域，大功率和高开关频率半导体设备通常非常昂贵或无法获得[1]。因此，多相驱动因其功率分割、转矩脉动小、系统可靠性等级高、直流母线电压要求低等方面的优点而受到广泛的关注[2]-[4]。因此近年来，多相电机的研究取得了显著的进展，特别是在电力电梯、航空航天、电动汽车、船舶推进等大功率、高可靠性的应用领域。[5]-[7] 具体而言，多相电机系统与三相电机系统相比具有如下优势[8]-[11]： (1)低功率电力电子器件实现大功率输出。对于三相电机而言，相电流一定的情况下，提高输出功率只能通过升高供电电压来实现，这对电力电子器件的耐压等级和供电条件都提出了更高要求。而多相电机，如果相电流不变，相数増加可以大幅增加电机输出功率。 (2)电机相数越多，脉动频率越高，脉动幅值越小。由于气隙磁动势谐波磁场的存在，即使基波电流也会产生一定的转矩脉动。三相电机中，气隙磁动势中的５次谐波与基波相互作用会产生６次转矩脉动，影响控制精度的同时也会产生振动和噪声。电机相数增加可以提高转矩脉动频率，从而大幅降低转矩脉动幅值。改善电机低速特性，减小振动和噪声。 (3)可靠性高，容错能力强。当多相电机系统的一相或几相退出运行时，可通过改变系统的控制算法继续保持相对较好的运行性能，而不必停车。这非常适用于某些对系统可靠性要求高，不允许中途停车的场合。 研究现状 多项电机矢量控制 三相电机由于中性点的存在，去除零序分量后，其电流实际是二维变量[12]。因而，三相电机采用的矢量控制，实际上都是二维电流闭环控制，而多相电机随着相数的増加，绕组电流维数也有所増加。如果多相电机也采用二维电流闭环控制，仅控制参与机电能量转换的静止坐标系平面上的电流，多相电机的转矩同样能得到很好的控制，但是由于实际中各种非理想因素的存在，广义零序分量电流在开环控制下无法实现很好的电流控制效果，因此多相电机的相电流会存在一定的不对称分量。双三相电机的全维电流闭环控制主要包括双d-q解耦控制和矢量空间解耦控制两种控制方式。双d-q解親控制是对每一套三相绕组电流解耦得到的的d,q轴电流分别进行闭环控制,矢量空间解耦控制则是对六相定子电流进行矢量空间解耦得到的各子空间下的电流分别进行闭环控制[13]。两种控制方式，虽然采用的不同的解耦方式，但是本质上都是四维电流闭环控制，电流控制出效果是等效的。多相逆变器脉宽调制方法 和三相逆变器一样，多相逆变器的脉宽调制技术也可以分为空间矢量脉宽调制（SVPWM）、正弦脉宽调制（SPWM）和电流滞环脉宽调制（CHBPWM）[14]。CHBPWM技术虽然易于实现，但是开关频率的波动范围较大，无法应用于大功率场合。SVPWM和SPWM都能实现精准的电压控制，二者的主要区别是SVPWM的直流电压利用率高于SPWM。因而，在实现相同电压控制效果的情况下，SVPWM对直流母线电压的要求更低。 多相电机容错控制相电机 由于自由度较高，控制灵活，缺相故障下的容错控制策略也多种多样对于双三相电机而言，最简单容错方式是将故障三相绕组全部切除[15]，剩余三相可以按照普通三相电机进行控制。但是，该方法并没有充分利用多相电机相数冗余的的优势，仅使用三相绕组进行能量传输。这将导致电机最大输出功率减半，严重削弱电机带载能力。文献[16]以故障后定子合成磁势不变和剩余相电流幅值相等为约束条件，提出了多相电机一相开路下的电流控制策略，由于容错运行下的定子磁势与故障前完全一致，因而能够实现和故障前基本一致的调速性能。 多相电机直接转矩控制 文献[17]将传统基于查表法的直接转矩控制直接应用在了双三相永磁同步电机上，虽然能够得到和三相电机基本相同的转速和转矩控制性能，但是产生了大量的低次谐波电流。这是由于传统的查表法中用到的电压矢量都是在平面进行控制的，并未考虑电压矢量在子空间的作用效果。因而，子空间上谐波电压的存在导致了谐波电流的产生。 |
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四、方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证： 一．电路设计 电路的主要框架由一个移相全桥（PSFB）DC / DC变换器和一个六相六桥（SPSL）DC / AC变换器级联而成，中间通过一个变压器进行电压的变换以及电气隔离。 二．控制策略 首先是电动机控制部分，在电机控制上，基于前期的文献查阅及研究，我选择基于开关表的直接转矩控制（ST-DTC）方式，并且参考了三相异步电动机的控制方式。逆变器的电压矢量图如下，选取最大的十二个向量为V1-V12。 图1. 逆变器电压矢量图 而三相异步电动机的开关表如下图所示 表1.三相异步电动机开关表 经过类比和研究，我们可以得到六相电动机的开关表 表2.六相电动机开关表 三.软开关的实现 为了降低开关损耗，我计划使用软开关的方式，利用零电压开关的方式来减小开关损耗。而这一零电压开关的实现则需要移相全桥DC/DC变换器和六相六桥DC/AC变换器之间的配合。当母线直流电压通过移相全桥DC/DC变换器后，将变为矩形波，同时通过变压器，电压的峰值也将变为合适的大小。当变压器二次侧电压变为0时，六相六桥DC/AC变换器中的全控器件进行开断，即可实现零电压控制。逆变器部分的开关损耗将会得到较好的降低。 |
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五、进度安排： 2018年12月‒2019年1月 电机驱动系统工作原理分析 2019年2月‒2019年4月 电机驱动系统电路设计与仿真 2019年4月 电机驱动系统实验样机设计与画板，尝试搭建电机驱动系统硬件，并进行调试与验证 2019年6月 论文整理 |
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参考文献
[1] R. Bojoi, M. Lazzari, F. Profumo, and A. Tenconi, “Digital field-oriented control for dual three-phase induction motor drives,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 39, no. 3, pp. 752–760, May/Jun. 2003.
[2] M. J. Duran, J. Prieto, F. Barrero, and S. Toral, “Predictive current control of dual three-phase drives using restrained search techniques,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58, no. 8, pp. 3253–3263, Aug. 2011.
[3] Y. Zhao and T. A. Lipo, “Space vector PWM control of dual three-phase induction machine using vector space decomposition,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 31, no. 5, pp. 1100–1109, Sep./Oct. 1995.
[4] D. Hadiouche, L. Baghli, and A. Rezzoug, “Space-vector PWM techniques for dual three-phase ac machine: Analysis, performance evaluation, DSP implementation,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 4, pp. 1112–1122, Jul./Aug. 2006.
[5] M. Mengoni, L. Zarri, A. Tani, L. Parsa, G. Serra, and D. Casadei, “Hightorque-density control of multiphase induction motor drives operating over a wide speed range,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 62, no. 2,pp. 814–825, Feb. 2015.
[6] B. S. Umesh and K. Sivakumar, “Multilevel inverter scheme for performance improvement of pole-phase-modulated multiphase induction motor drive,” IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 63, no. 4, pp. 2036–2043, Apr. 2016.
[7] E. Levi, F. Barrero and M. J. Duran, “Multiphase machines and drives— revisited,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 1, pp. 429–432, Jan.2016.
[8] Jahns T M. Improved reliability in solid-state ac drives by means of multiple independent phase-drive units [J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1980, 16(3):321-331
[9] Bojoi R, Lazzar M, Profumo F, et al. Digital field-oriented control for dual three-phase induction motor drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Applications, 2003,39(3):752-760
[10] Bojoi R, Farina F, Griva G,et al. Direct torque control for dual three-phase induction motor drives. IEEE Transactions on Industrial Applications [J],2005,41(6):1627-1636
[11]欧阳红林 多相永磁同步电动机调速系统控制方法研究 [D]:[博士学位论文]. 湖南:湖南大学电气与信息工程学院.2005
[12] Casadei D, Profumo F, Serra G, et al. FOC and DTC: two viable schemes for induction motors torque control [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2002. 17 (5):779-787
[13]杨金波，杨贵杰，李铁才．双三相永磁同步电机的建模与矢量控制[J]．电机与控制学报，2010(06):1-7
[14] 杨金波双三相永磁同步电机驱动方法研究 [D]：［博士学位论文］．哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程系．2011
[15]Jiang X, Huang W, Cao R, et al. Electric drive system of dual-winding fault-tolerant permanent-magnet motor for aerospace applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015,62(12):7322-7330
[16] Fu J R, Lipo T A. Disturbance-Free Operation of a Multiphase Current-Regulated Motor Drive with an Opened Phase [J].IEEE Transcations on Industry Applications, 1994, 30(5):1267-1274
[17] Zaimeddine R, Undeland T. Direct Torque Control Scheme for Dual-Three-Phase Induction Motor[C]. International Conference on Power Electronics. New York: IEEE, 2010. 3007-3014
资料编号：[178149]
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