基于不同控制策略的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI研究

鄭琦琦，杜明星，孫德明，魏克新

（天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

基于不同控制策略的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI研究

鄭琦琦，杜明星，孫德明，魏克新

（天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

在傳統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制（PWM）的永磁同步電機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電磁干擾問題成為研究難點(diǎn)。分析矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，得到諧波頻譜表達(dá)式，利用MATLAB仿真軟件建立PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，在傳導(dǎo)干擾測試頻率范圍內(nèi)，仿真了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制下逆變器輸出電壓的諧波分量。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過測試系統(tǒng)直流側(cè)的干擾，得到直接轉(zhuǎn)矩控制下系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾更小，是電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一種理想的控制策略。

永磁同步電機(jī)；傳導(dǎo)電磁干擾；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制

0　引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小和效率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車中［1～3］。在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中通常采取PWM方法，輸出離散高峰值的電壓諧波頻譜，主要集中在開關(guān)頻率及其整倍數(shù)頻率附近，這些諧波產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）能量大、頻帶寬，對汽車裝置中電力電子設(shè)備的電磁兼容性能造成嚴(yán)重影響［4］。

針對系統(tǒng)中的電磁干擾問題，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者提出濾波、屏蔽、隔離等措施進(jìn)行抑制。這樣的方法增加了系統(tǒng)的體積和安裝費(fèi)用，使得設(shè)計(jì)過程復(fù)雜化。因此可以采用不同的控制策略來抑制系統(tǒng)中的EMI，同時(shí)不會(huì)增加裝置的體積和重量。

目前電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，矢量控制也被稱磁場定向控制（field oriented control，F(xiàn)OC），能實(shí)現(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用［5］。近年來國內(nèi)外學(xué)者提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，DTC）的方法，與傳統(tǒng)的矢量控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制具有：計(jì)算過程簡化，不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［6］對這兩種控制策略進(jìn)行對比分析，仿真轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)特性、電流脈動(dòng)以及磁鏈脈動(dòng)曲線。從相關(guān)文獻(xiàn)來看，對于不同控制策略應(yīng)用在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的EMI研究較少，且還不完善。因此通過仿真與實(shí)驗(yàn)的方法，在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中分別采用FOC和DTC控制策略，研究電路的傳導(dǎo)EMI尤為重要。

本文分析FOC和DTC的控制原理，得到逆變器輸出側(cè)電壓的諧波分量頻譜。國標(biāo)GB 9254-2008［7］規(guī)定了工業(yè)環(huán)境中受試設(shè)備EUT的傳導(dǎo)干擾測試限值，本實(shí)驗(yàn)依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，在150kHz～30MHz傳導(dǎo)干擾頻段內(nèi)，搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在FOC和DTC控制下，對比分析共模干擾/差模干擾的抑制效果。最后通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

1　原理分析

1.1矢量控制

圖1為PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中：Udc為直流電壓，R為放電電阻，C為支撐電容。

圖1　PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

FOC的基本原理是通過測量和控制電機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對PMSM的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。采用空間矢量脈寬調(diào)制（space vector PWM，SVPWM），這種控制算法將逆變器和交流電機(jī)視為一個(gè)整體，建立在電機(jī)統(tǒng)一理論和電機(jī)坐標(biāo)軸系變換理論基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)模型簡單，便于計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制，在一個(gè)控制周期內(nèi)，通過相鄰電壓矢量和零矢量合成得到所需的任意電壓矢量，實(shí)現(xiàn)電壓矢量的連續(xù)可調(diào)，因此目前無論在開環(huán)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中均得到廣泛應(yīng)用［8］。

SVPWM控制算法各次諧波分布的傅里葉級(jí)數(shù)形式如下［9］：

利用MATLAB得到逆變器輸出線電壓uab的各次諧波分量頻譜，如圖2所示。

圖2　FOC控制產(chǎn)生的諧波分量

1.2直接轉(zhuǎn)矩控制

DTC控制是一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)，具有控制直接、計(jì)算簡單和魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上不使用機(jī)械傳感器就可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制性能［5］。因此，DTC被認(rèn)為是一種“無傳感器”的控制技術(shù)。

雖然八個(gè)要素與新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競爭力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但是各要素的路徑系數(shù)卻不同，存在一定差異。具體體現(xiàn)在：企業(yè)品牌競爭力的路徑系數(shù)最高，說明其是影響區(qū)域品牌競爭力最重要的因素；政府職責(zé)和行業(yè)協(xié)會(huì)作用的路徑系數(shù)較低，這并不說明政府職責(zé)和行業(yè)協(xié)會(huì)作用不重要，實(shí)際上主要是因?yàn)槟壳岸叩淖饔煤吐毮苓€沒充分發(fā)揮，工作方面還有很大提升空間。品牌影響力的路徑系數(shù)最低，說明了消費(fèi)者對新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌的知名度、美譽(yù)度和忠誠度還不高，對新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌認(rèn)知有限。

在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的PMSM方程表達(dá)式如下［6］：

其中，Ld、Lq為d-q軸等效電感，ψf，ψs為勵(lì)磁磁鏈和定子磁鏈，T為電磁轉(zhuǎn)矩，P為轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)，δ為負(fù)載角。

DTC的核心思想是通過調(diào)節(jié)負(fù)載角δ的大小直接控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小，保證在電機(jī)運(yùn)行過程中定子磁鏈幅值始終為額定值。

永磁同步電機(jī)電壓表達(dá)式如下：

由于六邊形磁鏈軌跡并非理想圓形，相應(yīng)的勵(lì)磁電流必然含有諧波分量，逆變器輸出端的各次諧波分量如圖3所示。

圖3　DTC控制產(chǎn)生的諧波分量

仿真得出兩種調(diào)制方式的線電壓總諧波畸變率（THD），F(xiàn)OC的THD=875.44%，DTC的THD=206.75%。由于PWM波形主要經(jīng)過電動(dòng)機(jī)繞組的濾波作用近似為正弦波，諧波幅值越小，總諧波畸變率越低，得到波形的正弦度就會(huì)越好。因此與FOC相比，DTC得到的波形更為理想。

1.3共模/差模干擾

圖4中R1、R2為50Ω固定電阻，VR1、VR2分別為LISN測得的直流側(cè)干擾電壓值，可得共模/差模干擾（CM/DM）電壓為：

圖4　CM/DM分離原理

2　實(shí)驗(yàn)測試

2.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

如圖5所示為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾測試平臺(tái)，圖中數(shù)字1為直流電源，數(shù)字2為干擾提取器，數(shù)字3為DC/ AC逆變器，數(shù)字4為dSPACE控制器，數(shù)字5為頻譜分析儀，數(shù)字6為PMSM，數(shù)字7為上位機(jī)，環(huán)境溫度為23℃，測試在屏蔽室中進(jìn)行。

圖5　測試平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)所用永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　PMSM參數(shù)

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中直流電源電壓為220V，IGBT型號(hào)為FF300R12KT4，開關(guān)頻率設(shè)置為10kHz，在150kHz～30MHz傳導(dǎo)干擾頻段，分別采用FOC和DTC控制策略，利用干擾提取器對EV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流側(cè)的CM/ DM干擾進(jìn)行測量，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6　FOC控制下CM/DM干擾

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圖7　DTC控制下CM/DM干擾

實(shí)驗(yàn)表明，考慮頻譜儀的衰減保護(hù)作用（Att 10dB），F(xiàn)OC控制下系統(tǒng)CM干擾在30～80dBuV之間，DM干擾在30～70dBuV之間；采用DTC控制后，CM干擾在整個(gè)干擾頻段降低了10dBuV，DM干擾降低了10dBuV且在3MHz頻段以上效果明顯。對比以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在整個(gè)傳導(dǎo)干擾頻段，采用DTC控制下系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾低于采用FOC控制下產(chǎn)生的干擾。因此，可以通過改變控制策略改善系統(tǒng)中的電磁干擾。

3　結(jié)束語

基于DTC技術(shù)在PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析FOC和DTC的工作原理。應(yīng)用MATLAB仿真兩種控制方式下逆變器產(chǎn)生的諧波分量，通過在屏蔽室中搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性，證明了DTC對系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾具有良好的改善作用，在工程實(shí)踐中具有重要意義。

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Research on electromagnetic interference for motor drive system based on different control strategies

ZHENG Qi-qi，DU Ming-xing，SUN De-ming，WEI Ke-xin

TM341

A

1009-0134（2016）09-0017-04

2016-06-03

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃（14JCYBJC18400）

鄭琦琦（1992 -），女，河南信陽人，在讀碩士研究生， 研究方向?yàn)镋V Driver電磁兼容及電力電子技術(shù)。