基于改进电流滞环控制的永磁容错轮缘推进电机矢量控制系统
本文提出一种在固定采样频率下的改进CHBPWM控制策略，提高了系统的电流控制精度，对CHBPWM控制在FTPM-RDM上的应用具有重要的理论和实际意义。
1 绪论
1.2 国内外研究现状
1.2.1 轮缘推进器研究现
轮缘推进器（Rim Driven Thruster, RDT）是由美国的D. W. Brown教授在上世纪80年代末首次提出，在此之后逐步成为了国内外学者的研究热点。目前，国内外有很多科研机构进行轮缘推进器的电机本体开发，并且已经结合多种电机类型设计出不同优势和功能的电机结构。
从上世纪九十年代起，美国General Dynamics Electric Boat研发了一系列的商用轮缘推进器，试验结果表明，在敞水工况下轮缘推进器的推进效率比当时通用的常规吊舱推进器高出5%~10%[12]。此后，在2002年General Dynamics Electric Boat又和宾夕法尼亚州立大学及德国汉堡水池合作，以巴拿马型商船为设计对象，研发了一款敞水效率达到70.4%的轮缘驱动吊舱推进器。2004年挪威科技大学的Krovel等将电机设计理论与有限元仿真进行结合，研发了一台100kW的永磁电机，是当时功率最大的轮缘推进器[13]。同年，英国南安普顿大学以推进小型AUV为研究对象，设计了一台以BLDCM为内置电机的直流无刷轮缘推进器(BLDC-RDT)，并采用方波电流进行控制[14]。2006年，南安普顿大学Suleiman等采用解析法和有限元分析方法设计了一种无槽式BLDC-RDT，样机实验数据和有限元分析结果契合较好[15]。2012年，法国海军学院和布雷斯特大学提出了海流发电机用双定子轴向磁通永磁轮缘推进器，理论结果表明，双定子轴向结构比径向结构的耐热性更好，同时可以节约成本和提高结构紧凑性[16]。2014年，伊朗沙鲁德大学的A. Hassannia 等学者设计了一种选用高温超导材料做为定子绕组的PMSM，并将其做为轮缘推进器的内置电机[17]。2017年，英国格林多大学的R. Cameron等学者基于BLDCM设计了一种应用于小型无人机的轮缘推进器，有效提高了推进器的速度，但是相比传统的BLDCM效率偏低[18]。
3 基于改进CHBPWM控制的FTPM-RDM矢量控制研究
3.1 基于改进CHBPWM控制的FTPM-RDM矢量控制系统结构
基于传统CHBPWM控制的FTPM-RDM矢量控制系统虽然可以实现电机无故障及一相开、短路故障状态下的正常运行，但是受数字控制器运算速度和功率器件允许开关频率限制，实际系统的采样频率较低，因单个采样周期时间久且开关动作一直不变，故存在电流控制精度低的缺点。因此，若对传统CHBPWM控制策略进行改进，在保留其算法简单和动态响应快等优点的基础上提升电机的电流控制精度，可进一步提升系统的性能。本文基于FTPM-RDM的结构和H桥逆变电路的特点，提出了一种在固定采样频率下的预测占空比CHBPWM控制算法，建立了基于改进CHBPWM控制的FTPM-RDM矢量控制系统结构，结构框图如图3.1所示。
基于改进CHBPWM控制的FTPM-RDM矢量控制系统主要由FTPM-RDM、六相H桥逆变器、转子位置和转速计算模块、故障判断、滞环预测、占空比预测等模块构成。首先，外环转速误差经PI调节器和坐标变换获得六相绕组电流给定值，然后对电流检测模块获得的相电流进行故障判断，结合电机运行情况对给定电流进行容错控制，将容错后的给定电流和预测滞环宽度传送到占空比预测模块，最后通过预测的占空比确定六相H桥逆变器的驱动脉冲，实现对FTPM-RDM的闭环控制。
5 永磁容错轮缘推进电机矢量控制系统软件设计及实验验证
5.1 软件开发平台
5.1.1 Simulink软件开发环境
选用MT RCP作为硬件系统的核心控制器，相比于经典的控制器，其控制优势之一在于可通过Simulink语言完成软件控制程序的编写，并且可通过Simulink针对MT RCP安装的软件环境完成FPGA控制代码的转换。虽然转化的代码不够简洁，但MT RCP的CPU内置大内存，完全可满足生成代码的运行空间，同时自动生成代码是基于Simulink仿真软件实现，无需学习新的语言开发环境，是在离线仿真的基础上改写实验程序，大幅缩减了软件开发时间，加快了整体实验进程[62-63]。 采用Simulink软件完成MT RCP的代码生成主要包括以下几个步骤：
（1）打开完善的Simulink离线仿真模型，去掉电气拓扑部分，保留控制算法部分，并在模型的最外侧设置好控制算法所需的输入输出端口。
（2）为适应数字控制器，仿真条件设置为离散仿真ode3，并采用Fixed-step模式，受MT RCP控制器运算能力及功率器件允许开关频率限制，将控制程序的步长设置为1e-4（10kHz采样频率）。
（3）程序编写完毕后，根据MT RCP内置板卡型号设置生成的代码文件类型。本实验选用的MT RCP内置NI PXI 系列FPGA板卡，因此目标文件设置为，生成与NI PXI系列FPGA相匹配的.dll代码文件。
5.2 实验结果及分析
本实验对六相FTPM-RDM进行控制，电机额定功率1.5kW，额定转速600r/min，极对数15，额定转矩23.87N·m，额定直流母线电压170V，相电流额定值2.84A，定子电感27.42mH，定子电阻1.2Ω，短路电流3.49A。为保证实验效果和仿真一致，采样频率设定为10kHz，系统实验平台如图5.7所示。
结论
永磁容错轮缘推进电机（FTPM-RDM）是近年来开发的一种全新的电机结构，具有体积小、效率高、稳定性好的优势，同时具备一定的故障容错能力，因此选择适合的控制算法可以使其性能得到充分的发挥。FTPM-RDM采用CHBPWM控制具有算法简单，响应迅速的优势，并且可通过电流矢量重新分配快速实现一相开、短路容错控制。但采用传统CHBPWM在实际低频下存在电流控制精度低、转矩脉动大的缺点，为此本文提出一种在固定采样频率下的改进CHBPWM控制策略，提高了系统的电流控制精度，对CHBPWM控制在FTPM-RDM上的应用具有重要的理论和实际意义。结合课题研究方向，本文完成了以下的工作：
（1）根据FTPM-RDM定子绕组相互独立的本体结构和采用H桥逆变电路驱动的特点，提出了一种预测占空比CHBPWM控制算法，分别建立了基于传统和改进CHBPWM控制的FTPM-RDM矢量控制系统仿真模型，对电机无故障动稳态性能及一相开、短路故障运行性能进行了对比仿真分析，验证了改进电流滞环控制策略的正确性和有效性。
（2）结合FTPM-RDM矢量控制系统的需求，搭建了FTPM-RDM矢量控制系统的硬件电路，对其主功率H桥逆变电路、隔离电路、电压电流检测电路、转子位置检测电路及保护电路进行了设计，为后续对比实验验证奠定了硬件基础。
（3）根据系统的软硬件平台完成了FTPM-RDM矢量控制系统的软件程序设计，搭建了完整的实验平台并进行了系统的软硬件调试，确保了实验平台的可靠性。对电机无故障及一相开、短路故障状态下的运行性能进行了对比实验分析，实验结果进一步验证了改进CHBPWM控制策略的正确性和有效性。
参考文献（略）
（本文摘自网络）