基于H橋逆變器的永磁容錯電機變環(huán)寬恒頻電流滯環(huán)的矢量控制

張榮津，夏加寬

基于H橋逆變器的永磁容錯電機變環(huán)寬恒頻電流滯環(huán)的矢量控制

張榮津，夏加寬

（沈陽工業(yè)大學，沈陽 110870）

基于H橋逆變器的電流滯環(huán)脈寬調(diào)制(CHBPWM)在控制永磁容錯電機的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的CHBPWM有開關(guān)頻率不固定和諧波分布復雜的缺點。針對這一問題，提出一種實時獲取電流滯環(huán)控制所需的環(huán)寬，達到恒定開關(guān)頻率的目的。首先，對三相永磁容錯電機的結(jié)構(gòu)進行分析，建立其數(shù)學模型。其次，對基于H橋型逆變器開關(guān)頻率進行定性分析和理論推導，得到環(huán)寬和頻率的數(shù)學關(guān)系。然后將實時采樣、計算所獲取的周期性變化的環(huán)寬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定環(huán)寬。最后，仿真驗證了這種控制方法的正確可行性。

永磁容錯電機 H橋逆變器 電流滯環(huán)控制 開關(guān)頻率

0 引言

永磁容錯電機(FTPMM)及其驅(qū)動系統(tǒng)在故障情況下的高容錯性和高可靠性，使得其在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛研究和高度關(guān)注[1-3]。為了避免FTPMM的某一故障相的電流經(jīng)過中性點耦合到其他相，F(xiàn)TPMM三相繞組均采用獨立H橋逆變器供電[4]。

高性能驅(qū)動系統(tǒng)要求能直接控制電機電流而不是確定電機端電壓的控制策略。電流滯環(huán)脈寬調(diào)制(CHBPWM)是將逆變器實際輸出電流信號與電流給定信號相比較，則通過改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)使之減小或增大，以實現(xiàn)實際輸出電流對給定電流的快速跟蹤[5]。文獻[6]分析了永磁容錯電機在電壓空間矢量脈寬調(diào)制和電流滯環(huán)脈寬調(diào)制兩種控制下的優(yōu)缺點。表明CHBPWM具有響應(yīng)速度快、輸出電流諧波分量少等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制中，由于滯環(huán)環(huán)寬固定不變，使逆變系統(tǒng)的開關(guān)頻率也隨之不固定，導致濾波器設(shè)計和逆變器開關(guān)器件選擇極為困難[7]。

為了克服這個缺點，文獻[8]基于永磁容錯電機控制系統(tǒng)，利用數(shù)字型電流滯環(huán)開關(guān)頻率恒定不變的特點，提出一種變占空比的電流滯環(huán)改進方法。文獻[9]提出基于CHBPWM，引入頻率閉環(huán)控制，使開關(guān)頻率恒定不變。文獻[10-11]提出了一種變環(huán)寬的電流滯環(huán)控制方法。但現(xiàn)在對適合于H橋型逆變器的電流滯環(huán)的永磁容錯電機調(diào)速控制方法研究較少[12]。

本文在三相FTPMM和H橋逆變電路基礎(chǔ)上，對基于CHBPWM的H橋型逆變器的開關(guān)頻率進行分析，提出一種動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)寬的方法，以達到其恒定的開關(guān)頻率。

1 FTPMM的數(shù)學模型

三相FTPMM各相繞組為集中式繞組，每相繞組各由三個獨立的H橋驅(qū)動[13]。

首先需要建立FTPMM的數(shù)學模型，在此之前需要作一些假設(shè)：

1）忽略鐵芯飽和效應(yīng)。

2）忽略渦流損耗和磁滯損耗。

3）反電勢是正弦的。

4）忽略每相繞組間的互感值。

三相FTPMM的A相繞組等效電路圖如圖1所示[13]。

圖1 A相繞組電路模型

各相繞組的端電壓如下：

各相定子磁鏈方程如下：

2 H橋型逆變器基于電流滯環(huán)控制的開關(guān)頻率分析

基于三相FTPMM的單相H橋型逆變器可抽象為圖2所示模型。

圖2 電流滯環(huán)控制型H橋型逆變器等效模型

圖3 電流滯環(huán)控制的控制原理圖

開關(guān)管的開關(guān)頻率為:

3 H橋變環(huán)寬恒頻電流滯環(huán)控制

則滯環(huán)寬度為電機的A相繞組反電勢（E）的一個函數(shù)。

電機的A相繞組反電勢（E）：

代入式（9）：

式中：

如圖4所示。FTPMM的調(diào)速控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)穩(wěn)速、電流內(nèi)環(huán)的d=0控制方式。用一個環(huán)寬可調(diào)節(jié)的滯環(huán)比較器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)寬固定的滯環(huán)比較器，按照式（11）計算出要維持開關(guān)頻率恒定所需要的滯環(huán)環(huán)寬，將該環(huán)寬信號輸出到變環(huán)寬電流滯環(huán)比較環(huán)節(jié)中，得到開關(guān)頻率恒定的PWM信號，驅(qū)動逆變器開關(guān)管工作，從而控制FTPMM[15]。

圖4 變環(huán)寬恒頻率滯環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

4 仿真及其結(jié)果分析

仿真參數(shù)如下：U為311 V，開關(guān)頻率10 kHz。圖5是實時環(huán)寬計算模式，根據(jù)式（11）搭建。

表1 仿真所需要的電機參數(shù)

圖5 變環(huán)寬實時計算仿真模型

根據(jù)給定的動態(tài)滯環(huán)環(huán)寬算法進行仿真，得到滯環(huán)環(huán)寬波形如圖6，可以看出環(huán)寬隨時間周期性實時變化。

圖6 滯環(huán)環(huán)寬波形圖

圖7分別給出了定滯環(huán)環(huán)寬和變環(huán)寬的仿真波形。其中為電機A相輸出電流、為驅(qū)動信號Vg。圖7a和圖8a為滯環(huán)環(huán)寬固定時仿真波形，而圖7b、圖8b為變環(huán)寬時對應(yīng)的仿真波形。在輸出電流過零處，開關(guān)周期約40 μs；在輸出電流峰值處，傳統(tǒng)定環(huán)寬方法開關(guān)周期上升到111 μs以上，而變環(huán)寬方法開關(guān)周期仍然保持在約103 μs。圖9是基于恒頻滯環(huán)控制的FTPMM輸出電流波形的頻譜分析，可以看出諧波主要集中開關(guān)頻率附近，并且諧波分量集中在10 kHz。本文基本實現(xiàn)了電流滯環(huán)控制開關(guān)頻率的恒定。

圖7 輸出電流過零處開關(guān)頻率比較

圖8 輸出電流峰值處開關(guān)頻率比較

圖9 FTPMM輸出電流諧波分析圖

圖10 FTPMM轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果

由圖10分析可得，F(xiàn)TPMM在0.08 s左右到達穩(wěn)運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速基本無超調(diào)。在0.1 s左右，由于負載轉(zhuǎn)矩的變化，轉(zhuǎn)速經(jīng)過0.05 s的調(diào)節(jié)，又達到了給定轉(zhuǎn)速。由圖10可得本文提出的變環(huán)寬恒定頻率滯環(huán)電流控制方法，保留了常規(guī)的固定環(huán)寬滯環(huán)電流控制響應(yīng)速度快的優(yōu)點。

5 結(jié)語

基于H橋逆變電路的電流滯環(huán)脈寬調(diào)制在控制FTPMM的應(yīng)用中，考慮到H橋的逆變電路各繞組間電氣隔離和FTPMM各相繞組互感很小等特點，提出了實時計算逆變器輸出電壓維持開關(guān)頻率恒定所需要的滯環(huán)環(huán)寬的值，通過直接調(diào)整滯環(huán)環(huán)寬，進而控制開關(guān)頻率為恒定的設(shè)定值，保留了傳統(tǒng)電流滯環(huán)動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點，進一步解決了傳統(tǒng)定環(huán)寬滯環(huán)電流控制開關(guān)頻率不固定的問題。通過仿真驗證了該理論分析方法的可行性和有效性。

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Vector Control Strategy with Variable Hysteresis-Band and Constant Frequency Current Hysteresis Band based on H-bridge Inverter for Permanent Magnet Fault-tolerant Motor

Zhang Rongjin, Xia Jiakuan

(Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

TM351

A

1003-4862（2021）08-0056-05

2021-01-19

張榮津（1994-），男，碩士。研究方向：電機及其控制。E-mail: 649078122@qq.com