多相电机控制驱动技术研究综述

2017年12月电工技术学报Vol.32 No. 24 第32卷第24期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Dec. 2017

DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.L70304

多相电机控制驱动技术研究综述

刘自程1,2李永东1郑泽东1

（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系北京 100084

2. 北京交通大学电气工程学院北京 100044）

摘要由于能够实现低压大功率、高可靠性、高控制灵活度等优点，多相电机在交流传动领域得到了越来越多的应用。本文概述多相电机及其控制驱动技术的国内外发展历史，介绍矢量控制、直接转矩控制、模型预测控制三种典型的多相电机控制方法，对比解耦控制和最优电流控制两种容错控制策略，并归纳目前出现的多相逆变器的各种拓扑结构及其特点，进而对两种PWM 调制策略的研究现状进行讨论，最后对当前的多相电机控制驱动技术进行了简要总结和展望。

关键词：多相电机控制驱动容错运行多相变频器拓扑结构脉宽调制

中图分类号：TM301.2

Control and Drive Techniques for Multiphase Machines: A Review

Liu Zicheng1,2 Li Yongdong1 Zheng Zedong1

（1. Depterment of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China

2. School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

Abstract Multiphase machines are gaining increasing popularity because of their distinct advantages over three-phase alternatives, such as high power at low voltage, high reliability and improved control dimensions. This paper describes the development of multiphase drive techniques at home and abroad, then introduces three control methods including vector control, direct torque control and model predictive control, and compares decoupled fault-tolerant control with optimal fault-tolerant control. Furthermore, the different kinds of multiphase converter topologies are listed, and two kinds of PWM methods are discussed in this paper. Finally, the developing trends of all the above control and drive techniques are summarized.

Keywords：Multiphase machine, control and drive, fault-tolerant control, multiphase converter, topology structure, pulse width modulation (PWM)

0引言

由于长期以来传统三相供电制的确立和发展，在交流电气传动领域，三相电机及其调速驱动系统被广泛应用。在冶金轧钢、矿井提升、机车牵引、船舶推进等应用场合，对于调速传动功率的需求不断增大[1]，通常采用的手段是提高电压、增大电流。然而，受到功率开关器件耐压及耐流值的限制，一般需要采用多电平技术[2,3]或者开关器件串、并联技术[4,5]来实现大功率的三相变频调速。

实现大功率传动的另外一种解决思路是增加电机的相数，降低对逆变器每相容量的要求。由于电力电子变频器的广泛应用，电机驱动完全可以不受三相供电系统限制，采用多相（相数多于三相）逆变器供电同样可以实现大功率交流传动。

与三相电机驱动系统相比，多相电机驱动系统

博士后创新人才支持计划（BX201600012）和中国博士后科学基金面上项目（2017M620601）资助。

收稿日期 2017-01-26 改稿日期 2017-07-11

18 电工技术学报 2017年12月

具有以下的显著优点[6-10]：

（1）可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速。同等功率的三相驱动系统若改装为多相系统，单相的供电电压会下降，特别适合于电力舰船推进系统、电力机车牵引系统等供电电压本身受限的大功率应用场合。

（2）转矩脉动频率增加且幅值减小。空间谐波磁动势是产生转矩脉动的直接原因，随着相数的增加，多相电机的基波电流产生的空间谐波磁动势的次数提高而幅值减小，从而使得转矩脉动得到优化，电机运行的效率也得到提高。

（3）具有较强的容错能力，可靠性提高。由于多相电机相数的冗余，当多相电机或者多相变频器的一相或者几相出现故障时，可以采用适当的控制策略，使得电机在断相的情况下降功率运行，而无需重新起动或停机。

（4）多相电机的控制资源更多，控制灵活度更高。电机的可控维数等于电机的独立相数；所以，多相电机比三相电机具有更多的控制自由度。利用这些自由度，可以实现更高的控制性能。比如对于整距绕组的多相电机，通过在相电流中注入一定的低次谐波，使得气隙磁场分布为平顶波，可以提高电机铁心的利用率和电机的功率密度。

1国内外发展历史

早在20世纪60年代，E. E. Ward和H. Harer 就对五相感应电机进行了理论分析和实验[11]，发现随着相数增加，电机转矩脉动频率升高而幅值降低。1980年，T. M. Jahns提出通过增加电机及逆变器的相数[12]，来实现提高交流传动的容错运行能力和可靠性。但是，多相电机比起三相电机控制策略较为复杂，受到当时技术水平限制，控制方案难以实现，因而对多相电机及其驱动控制的研究进展比较缓慢。

20世纪90年代以来，由于电力电子技术、微控制器技术、现代电机控制理论的发展，以及船舶电力推进等应用场合对低压大功率和高可靠性电力传动的需求，国际上掀起了多相电机及驱动控制的研究热潮，出现了多种新颖的多相电机类型、变频器拓扑结构以及控制策略。美国威斯康辛麦迪逊大学T. A. Lipo教授课题组对六相（双三相）感应电机矢量控制[13]和断相后的六相（双三相）电机解耦模型的建立和控制[14]进行了研究。美国德州A&M 大学H. A. Toliyat教授课题组对采用集中绕组提高多相电机转矩密度[15]，和通过相电流优化控制减小多相电机断相容错运行的转矩脉动[16]进行了大量的研究。英国利物浦约翰莫尔斯大学E. Levi教授课题组则主要是对多相逆变器的PWM方法进行了深入研究[17]，提出了具有提高电压利用率[18]、消除共模电压[19]等性能的脉宽调制方法。法国L2EP实验室的 E. Semail教授课题组利用开绕组式的逆变器对多相电机的容错控制进行了有效的探索[20]。美国伦斯勒理工大学的L. Parsa博士课题组针对多相永磁电机可能出现的多种断路和短路故障，提出了全局的容错控制方法[21]。西班牙学者F. Barrero和M. J. Duran率领的课题组重点研究了如何利用模型预测控制方法来实现多相感应电机的变频调速[22]，以及实现断相、开关管失效[23]等故障下的容错运行。

国内对多相电机及其控制技术展开研究的主要科研单位有海军工程大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、中国科学院电工研究所、浙江大学、清华大学、中船重工712所等。

海军工程大学最早对十二相/三相双绕组交直流混合发电机的数学模型[24]、短路特性[25]等进行了深入研究，也对非正弦供电方式下十五相感应电机的稳态性能[26]、十五相电机对称断相下的参数变化等问题[27]进行了详细分析，近些年来提出了一种用于储能的双九相电机并研究了其数学模型和性能表现[28]。华中科技大学则是最早实现了十五相感应电机的变频调速控制[29]。哈尔滨工业大学重点针对五相、六相永磁电机展开了研究，对电机本体设计[30]、谐波注入[31]与谐波抑制[32]、SVPWM[33]、断相容错控制[34]等问题进行了重点讨论。中科院电工所主要对多相永磁电机进行研究，提出了多维度优化的控制方法[35,36]和断相容错控制方法[37]。浙江大学重点研究了多相电机的非正弦供电问题[38]和电机参数测量方法[39]，并实现了九相感应电机的矢量控制[40]和直接转矩控制[41]。清华大学集中研究了双三相感应电机的全调制范围的PWM策略[42]、在线参数辨识[43]、模型预测控制[44]等问题，也对十五相感应电机在船舶电力推进系统中的应用[45]进行了研究。中船重工712所研发了比较成熟的多相电机调速控制系统[46]，在国内首次成功完成了10MW等级大功率船用多相电机电力推进系统的产品研制[47]。

2多相电机的控制方法

多相电机的基本控制原理与三相电机相类似，不同点在于多相电机驱动系统的控制维度更高，需要同步控制各子空间的电流矢量，以保证定子各相