面向容错与减振的多相感应电机时空双尺度协同驱动控制研究

Multiphase machines are gaining increasing popularity in electric ship propulsion applications. Reliability and vibration are of vital importance to the ship propulsion systems. Based on the mathematical analysis of spatial symmetry in multiphase systems, this project exploits the control dimensions on the space scale. Aiming at reliable fault-tolerant operation and low vibration drive of multiphase induction machines, the following research would be done with the coordination of both the time and space scales. (i) Proposing a unified linear fault-tolerant control strategy, which is based on the coordination of torque/flux decoupling control on the time scale and the open-circuit constrains on the space scale. (ii) Reducing high-frequency vibration, with the coordination of varying carrier frequency on the time scale and shifting carrier phase on the space scale. (iii) Reducing low-frequency vibration, with the coordination of current harmonic elimination on the time scale and current balance control on the space scale. This proposal would improve the safety, reliability and stealth of ship electrical propulsion systems, which would be of great importance to the development of marine transportation and national defense.

多相电机在舰船电力推进中得到了越来越广泛的应用，可靠性和振动噪声是推进系统至关重要的两个方面。本项目基于对多相系统空间对称性的数学描述，挖掘空间尺度下的控制自由度，并将其与时间尺度相协同，研究面向容错与减振的多相感应电机驱动控制方法，主要包括以下三个方面：（1）推导多相系统在空间尺度下的全阶变换矩阵，将时间尺度下的磁链和转矩解耦控制同空间尺度下的各类断相故障约束相结合，实现统一的、线性化的容错控制；（2）解析载波PWM调制下多相合成电流的高频特征及影响因素，综合优化时间尺度下的载波变频与空间尺度下的载波移相，减小高频振动；（3）分析相间电流不均衡产生的气隙磁势和低阶力波，协同时间尺度下的时间谐波抑制与空间尺度下的电流均衡控制，降低低频振动。本项目预期将进一步提升舰船电力推进系统在安全性、可靠性、隐身性等方面的优势，对于海洋交通运输和海军国防建设具有重要意义。

多相电机在舰船电力推进中得到了越来越广泛的应用，可靠性和振动噪声是推进系统至关重要的两个方面。本项目基于对多相系统空间对称性的数学描述，深入挖掘多相电机的控制自由度，研究面向容错与减振的多相感应电机驱动控制方法，主要在以下三个方面开展了研究并取得了重要结果：（1）推导多相系统在空间尺度下的全阶变换矩阵，将时间尺度下的磁链和转矩解耦控制同空间尺度下的各类断相故障约束相结合，提出了基于广义对称分量法的多相电机统一容错控制策略；同时，通过对各对称分量平面上的电流特征进行提取与分析，提出了一种基于谐波平面电流轨迹的多相电机断相故障诊断算法。（2）解析载波PWM调制下多相合成电流的高频特征及影响因素，利用多相系统空间尺度下的载波移相，实现高频电磁力的相互对消，减小了多相电机的高频振动；同时，利用多相系统的对称性特征，通过多相变频器开关状态的优化组合，抑制了多相变频器的共模电压，有效降低了多相电机系统的共模电磁噪声。（3）分析相间电流不均衡产生的气隙磁势，协同时间尺度下的时间谐波抑制与空间尺度下的电流均衡控制，降低了多相电机的低频转矩脉动。本项目预期将进一步提升舰船电力推进系统在安全性、可靠性、隐身性等方面的优势，对于交通运输和国防建设具有重要意义。