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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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带有设备短路保护的容错SVPWM h桥驱动器

M.Anitha1，穆拉利·库马尔2
  1. 印度安得拉邦普特尔悉达多科学与技术学院EEE系PG学生[PE&ED]
  2. 印度安得拉邦普特尔悉达多科学技术学院电子工程学系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文提出使用h桥逆变器为电动汽车(EV)应用中的永磁同步电机(PMSM)供电，允许从电源转移到机械负载，另一方面，即使有一个或几个相不供应，也可以在降级工作模式下运行。首先，提出了一种现有的方法，如通过关联第四额外桥连接到PMSM中性点的三相逆变器，以在退化模式下运行。然后，分析了利用空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)控制对四腿逆变器和h桥逆变器的正常模式和降级模式下的区分。最后，通过在MATLAB/Simulink中实现控制策略，对结果进行了比较和讨论。该方法对分别由3个h桥供电的永磁同步电动机定子绕组的电流纹波有明显的减小效果。与传统的正弦PWM逆变器相比，SVPWM逆变器能够以更高的电压和低谐波失真为电机供电。

关键字
永磁同步电机，空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)，电动车

介绍
汽车发动机的排放计量单位被公认为是一种主要的有针对性的污染，特别是在城市地区。虽然由于技术和价格的原因，内燃机仍然是主要的动力，而且对化石燃料的依赖日益增长，加上对私人交通对环境影响的高度关注，导致世界各国政府分析和赞助研究不同的车辆，以避免浪费消耗的能源。这些未来技术之一是混合动力电动汽车(HEV)，通常包括每个关联的内燃机和电动机，其目标是制造更低的排放，同时获得更高的燃油经济性。
由于电源采集、电源管理和降低能耗等原因，功率转换器逐渐应用于汽车领域。控制系统的设计和管理技术已经成熟到一定程度。然而，在贸易领域中，逆变器突然发生的故障也有多种形式。
不对称多电平逆变器的主要优点是在最小供电范围内优化电平。然而，这种优化的多级系统仍然需要大范围的隔离和浮动直流电源，这使得这些转换器难以在电动汽车(ev)中实现，因为该系统将强制使用几个独立的电池组。
本文的目标是开发一种全新的直流链路拓扑，用于关联非对称多级电气转换器，支持一个简单的高频链路(HFL)，只允许开发一个电源(电池组，燃料电池或其他)。这种单直流供电系统特别适用于电动汽车，但也可用于混合动力汽车和工业机器驱动器。该系统具有相关的固有调节电压之间提供的h桥;因此，完整的电平范围通常是在任何振幅的电压下，仅依靠唯一的直流电源调节，这可能是由斩波器控制的。
由观测系统定期发现的电和热指示面积单位的变化。在检查的顶部(达到损伤标准或失效)，执行完全不同的分析(声学扫描和SEM成像)，因此损伤被一致地列出。
该(VSI)包含半导体器件，该区域单元坚固，但遭受故障，如短路(SC)或开路(OC)，由于多余的电和热应力，区域单元在几个应用[1][2]实验。这次故障将被归类为几种故障。因此，有关故障行为区域单元的信息和知识对于系统设计、保护和容错控制具有重要意义。逆变器故障会影响整个系统的运行。此外，为了消除有害影响并提高系统的可靠性，还需要故障检测和诊断区域单元。在此工作中，采用了MOSFET逆变器。上述故障可以导致驱动系统关闭，而不需要观察系统的状态。但系统在故障发生后仍能正常运行，不会连续导致系统不能正常运行。
电动机驱动会受到几种故障的影响，并计划采用许多完全不同的补救技术。因此，到目前为止，冗余或保守的设计已被应用于工业应用，其中操作的连续性可能是一个关键特征。在电动汽车(ev)和混合动力电动汽车(hev)等高冲击汽车应用中，这一点尤其重要，因为在各种车辆运行条件下，驱动系统应具有高可靠性和强度。由于即使跛回操作比不操作更常见，在驱动器仍在运行的情况下，补救技术可能会导致短扭矩瞬态，甚至在故障后导致驱动器性能永久下降。

四腿变频器传动
由三相星形永磁同步电机(PMSM)和四腿电变换器(第四腿连接到电机绕组的中性点)组成的驱动器具有处理大多数电气故障的灵活性，如果只有一个电变换器腿或一个机器部件不可用[4]。为了与相关的开放部分进行驱动，需要修改此参考，以保持可接受的旋转机械设备领域[10][11]。管理重新配置是在检测到并知道故障后控制管理引用的操作。这种重新配置取决于控制习惯驱动机器[5][6]。
由三相星形永磁同步电机和四腿逆变器组成的驱动模型如图1所示。需要故障隔离接触器[4]。雷竞技网页版
图像
一旦连接到PMSM相的一个或两个单元Q1 (S1或S4)， Q2 (S3或S6)， Q3 (S2或S5)故障，第四个单元Q4(开关S7和S8)起备用作用。第四单元Q4在电压逆变器的正常操作中处于非活动状态，换句话说，如果没有故障，其开关S7和S8处于关闭状态，则不受控制。第四个单元格Q4处于等待模式。一旦在检测到故障时形成重新配置，则隔离有缺陷的单元，因此将第四个备用单元Q4置于活动模式，其开关S7和S8因此被控制，或在可接受的时间内打开和关闭。一旦观察和管理设备检测到并诊断出与其相关的单元内的故障，例如Q1，它将其开关S1, S4强制关闭状态，并将相关的电气未受影响的设备强制关闭状态。
当永磁同步电机出现绕组故障时，保持对应的两个电源开关处于打开状态即可隔离故障相。补充的逆变器腿将继续驱动电流，确保几乎正常电流通过仍然健康的阶段。由于附加的逆变器腿连接到PMSM的中性点，中性电流携带剩余相位的相电流:
I0 = ia + ib + IC
图像
很明显，对于转换器的正确操作，必须添加额外的故障检测模块，以及在故障操作[7][8]期间将命令电源开关的相隔离逻辑。
这种设计需要使用故障隔离接触器，这将增加价格。雷竞技网页版这在电动汽车的可靠性应用中通常是一个缺点。提议的解决方案将在下一节中给出。

3-h桥式逆变器架构
所提出的电力结构由三个h桥组成，每个h桥提供一个单独的PM同步电机(PMSM)电机相位。这种体系结构不需要故障隔离接触器。雷竞技网页版这是一台没有中性点的机器。这允许全直流链路电压到每个定子绕组的PMSM。
图像
更常见的是，基本的修改建议涉及到额外的连接到机器绕组(例如，一个眼睛的连接)和一个额外的开关或控制器中的开关。激进的方法包括为每个相[5]使用独立的逆变器(多相，H桥)，并完全重新设计机器本身，以提供电气和磁路隔离。

驱动电机控制建模
该系统采用非凸极永磁同步电动机，不考虑电机阻尼效应。利用广义Concordia变换，对定子电感矩阵进行对角化，
图像
所提出的电机驱动结构的零序电流不为零。(1)给出了与零线和α- β框架相关的两台虚拟机(主机和零序虚拟机)。三相电机由电阻R和相位电感(等于漏感)l构成。主机产生力矩，由
图像
电机驱动的目的是通过使用SVPWM控制方法来控制h桥变换器逆变器功率开关，从而产生所需的扭矩和减少损失，这将在下一节中解释。

空间矢量脉冲宽度调制(svpwm)
空间矢量调制是一种用于多相交流发电的PWM控制方法，它对参考信号进行定时采样;在每次采样后，选择与参考矢量相邻的非零有源开关矢量和一个或多个零开关矢量作为采样周期的适当部分，以合成参考信号作为所使用矢量的平均值。
图像
参考电压矢量VREF是所有3个调制电压的矢量和，可以用下式表示:
图像
Sa, Sb, Sc是代表每个相的开关状态。
永磁同步电动机的三个定子绕组分别连接到每个h桥上。每个h桥有四个离散态，产生3级电压+Vdc 0，-Vdc。对于完整的转换器，它提供27种开关状态。定子电压如表i所示。
表一定子电压
图像
为了控制两台机器，PWM控制器需要一个空间矢量[V0 * Vα * V β *]T。3h桥逆变器只能提供该电压设定点的平均值，使用PWM技术。因此，在27种可能的逆变器中，需要四个不同的离散电压向量{v1, v2, v3, v4}来解决这个SVPWM问题。
图像
为了最大限度地减少开关损耗，构建一个保证每段开关数量公平分配的序列，以获得有限的开关数量，并避免扇区变换时的过度切换。以第一扇区为例，图4显示了开关数。
图像
三个h桥用三个矩形表示。其中的点描述了从半周期开始实现的开关数量:红点描述当前开关，而黑点表示之前的开关。例如，单个h桥需要两个开关，即一个开开关和一个关开关，用于将归一化电压从+1切换到−1或从−1切换到+1。
图像
图12显示了允许确定电源开关的门信号的SVPWM实现图。在一个开关周期Tsw，该算法定位参考电压V0αβ∗在α−β框架和定义当前扇区，因此，四个正确的向量。接下来，它查找每个占空比。然后定义了相关的切换顺序。最后，生成栅极信号的采样时间较短。

仿真结果
下面给出了三相逆变器的仿真块和结果，通过将第四个额外的桥连接到PMSM的中性点，并在正常和降级工作模式下将3-H桥逆变器驱动馈送PMSM。
仿真分析参数为:
输入直流电压= 500v
开关频率= 1khz
负载电阻= 10欧姆。
负载电感= 10Mh
A)四腿逆变器正常工作模式:
图像
四腿逆变器仿真模型如图6所示。量程给出了正常情况下永磁同步电动机三相绕组的电流。
逆变器采用MOSFET器件设计。逆变器门的开关信号由SVPWM控制方法产生。图7为逆变电源开关的门控脉冲产生过程，也为手动开关的故障机理。
图像
输入(直流电源电压=500V):
图像
输入直流电源如图8所示。
输出:
图像
图9显示了正常运行时三个定子绕组的电流。
图像
在降级模式中，电机提供两个相，这允许如图10所示的中性电流流动。
B)提出3h桥逆变器驱动
讨论了全h桥拓扑结构的正常运行和容错问题。在正常情况下，除非从其控制系统接收到故障命令，单个支路h桥的一半的上级和下级永远不会同时接通。这可以通过监控控制系统的工作来避免。
图像
3-H桥逆变器进给永磁同步电动机仿真模型如图11所示。在这里，每个h桥分别为PMSM的三个定子绕组提供电源。
图像
逆变电源开关的门控脉冲产生如图12所示。
图像
通过使用图12产生如图13所示的门控脉冲。图13显示了S1到S4开关的脉冲。
图像
同一支路的上开关和下开关同时接通，会造成直接短路。故障是通过改变图12中手动开关的位置而产生的。在开关故障期间，受影响的h桥只能产生两个离散电平(0和+Vdc)，而不是三个。因此，逆变器可以产生18个空间向量。则得到输出电流如下:
图像
另一个问题，电源开关短路比较难解决。解决方案是完全隔离整个分支打开，并保持永久打开所有相应的电源开关。这种方法通过损坏分支的物理分离来保证容错。当然，在这种情况下，电机必须是容错的，以便能够继续其工作(即使在较低的转矩和较高的转矩波动)。

结论
本工作为电动汽车h桥功率变换器进料三相永磁同步电机的SVPWM控制方法的实现做出了成功的努力。其主要优点包括:在逆变器开关之间均匀分布开关，降低了损耗，平衡了三个h桥之间的开关速率，对占空比不敏感，最大限度地提高了驱动性能，并减少了电流波动。该方法已在Matlab/Simulink环境下实现。
该系统由3个h桥分别为PMSM提供三个相位，具有正常和降级模式下运行的能力。

参考文献







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