基于動(dòng)態(tài)電壓修正的IPMSM 動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略研究

李銀露，舒志兵

（1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系，南京 211306；2.南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所，南京 211816）

基于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)IPMSM（interior permanent magnet synchronous motor）的電力傳動(dòng)系統(tǒng)具有高效運(yùn)行區(qū)域廣、功率密度大、調(diào)速范圍寬和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在皮帶運(yùn)輸機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)和高性能電梯等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。受限于逆變器輸出最大線性調(diào)制電壓，IPMSM 在基速以上弱磁運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力下降[4]。利用過(guò)調(diào)制策略可以有效擴(kuò)展逆變器直流母線電壓利用率[5]，從而提高弱磁運(yùn)行工況下電磁轉(zhuǎn)矩的輸出能力[6]。文獻(xiàn)[7]提出了過(guò)調(diào)制區(qū)域的逆變器連續(xù)控制技術(shù)，在過(guò)調(diào)制區(qū)域?qū)㈦妷菏噶糠謪^(qū)處理，過(guò)調(diào)制一區(qū)重點(diǎn)進(jìn)行幅值修正，進(jìn)入過(guò)調(diào)制二區(qū)之后對(duì)相位、幅值同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，逐步提高母線電壓利用率至最優(yōu)狀態(tài)；文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)電機(jī)所需輸出電壓的傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，推導(dǎo)出了空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation）的基準(zhǔn)角和保持角，不僅可以實(shí)現(xiàn)從線性區(qū)到六步法的平穩(wěn)過(guò)渡，還減小了輸出電壓的諧波含量；文獻(xiàn)[9]量化分析了過(guò)調(diào)制策略在增加直流母線電壓利用率和降低逆變器開(kāi)關(guān)損耗兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。逆變器過(guò)調(diào)制運(yùn)行時(shí)，實(shí)際的輸出電壓與其給定值存在偏差，必然會(huì)對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能造成影響。然而，上述研究的關(guān)注點(diǎn)局限于輸出電壓范圍的擴(kuò)大，未考慮過(guò)調(diào)制區(qū)域電壓矢量修正過(guò)程中對(duì)于動(dòng)態(tài)性能的影響，容易造成電流以及電磁轉(zhuǎn)矩的紊亂[10-12]。文獻(xiàn)[13]研究了基于非零矢量作用時(shí)間優(yōu)化的動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略，可有效改善過(guò)調(diào)制區(qū)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能，但此方法無(wú)法直接應(yīng)用于基于矢量控制的IPMSM調(diào)速系統(tǒng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在IPMSM 矢量控制[14-15]的框架下提出了一種新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略。將矢量控制的輸出給定電壓分解為反電勢(shì)電壓和動(dòng)態(tài)電壓兩個(gè)部分，在電機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩突變進(jìn)入過(guò)調(diào)制狀態(tài)時(shí)，在保證原電壓矢量的反電動(dòng)勢(shì)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)電流調(diào)節(jié)器輸出的動(dòng)態(tài)電壓進(jìn)行修正以優(yōu)化d、q 軸電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。該方法既能有效提高系統(tǒng)的直流母線電壓利用率，又能提高電機(jī)控制系統(tǒng)在工況突變等動(dòng)態(tài)情況下動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，提升動(dòng)態(tài)性能。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文所提新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制方法的有效性。

1 傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制策略的動(dòng)態(tài)性能分析

通過(guò)對(duì)逆變器過(guò)調(diào)制區(qū)域的合理利用可以極大程度地提升IPMSM 電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力。傳統(tǒng)的過(guò)調(diào)制策略偏重于研究逆變器非線性區(qū)的有效利用，其基本原理為：當(dāng)逆變器輸出的電壓矢量超出電壓限制邊界之后，通過(guò)一定的映射規(guī)則重新將電壓矢量引導(dǎo)至電壓矢量限制邊界以內(nèi)，并以此作為逆變器的實(shí)際輸出電壓。

傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制策略示意如圖1 所示。圖1（a）為靜態(tài)過(guò)調(diào)制策略中最常見(jiàn)的最小相位誤差過(guò)調(diào)制策略的原理，即保持給定電壓矢量Uref的相位不變，直接采用參考矢量與六邊形電壓邊界的交點(diǎn)作為實(shí)際輸出電壓矢量。圖1（b）所示為最小幅值誤差過(guò)調(diào)制修正策略，將參考電壓在六邊形邊界上的投影作為最終輸出電壓，從而最大程度地縮小實(shí)際輸出電壓矢量與原有參考矢量之間的幅值誤差。上述兩種靜態(tài)過(guò)調(diào)制方法均能將IPMSM 的電壓運(yùn)行邊界由六邊形的內(nèi)切圓擴(kuò)展至六邊形，從而實(shí)現(xiàn)直流母線電壓利用率的提升。然而，上述方法的優(yōu)化目標(biāo)僅為直流母線電壓利用率的提升，未充分考慮到參考電壓矢量修正對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

IPMSM 高速運(yùn)行工況下可忽略定子電阻壓降，其電壓方程可表示為

式中：Ld、id和uds分別為d 軸電感、電流與電壓；Lq、iq和uqs分別為q 軸電感、電流與電壓；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；ω 為電角速度；p 為微分算子。

將式（1）中的微分項(xiàng)分別定義為動(dòng)態(tài)電壓項(xiàng)（Uds_PI與Uqs_PI），將與轉(zhuǎn)速有關(guān)的項(xiàng)分別定義為反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)（Eds與Eqs），則式（1）可改寫(xiě)為

根據(jù)式（1）可得式中Eds與Eqs計(jì)算公式為

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓的數(shù)值接近于0，而在動(dòng)態(tài)時(shí)，Uds_PI與Uqs_PI分別取決于d 軸與q 軸電流給定值與反饋值的差值以及d、q 軸電流調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)。當(dāng)Uqs_PI為正時(shí)，將使得q 軸電流增加；反之q 軸電流向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。同理，可得d 軸電流的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。以最小相位誤差法過(guò)調(diào)制策略為例分析傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制策略的動(dòng)態(tài)性能，如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制策略電壓分解示意Fig.2 Schematic of voltage decomposition under conventional overmodulation strategy

參考電壓矢量Uref超出六邊形邊界并被映射至矢量Umod位置。在映射之前，Uref所處的位置對(duì)應(yīng)的q 軸動(dòng)態(tài)電壓Uqs_PI為正，因此矢量控制的預(yù)期是使得q 軸電流增加。然而，實(shí)際輸出的電壓矢量Umod對(duì)應(yīng)的q 軸動(dòng)態(tài)電壓U'qs_PI為負(fù)，實(shí)際的q 軸電流向減小的方向變化，從而與預(yù)期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相反，易引起動(dòng)態(tài)電流的紊亂，最終導(dǎo)致電機(jī)相電流大幅度振蕩。而若永磁同步電機(jī)運(yùn)行在電流約束邊界，電流矢量的紊亂還會(huì)引發(fā)系統(tǒng)過(guò)電流停機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。同理，圖1（b）中的最小幅值誤差過(guò)調(diào)制方法也存在類似的問(wèn)題。

2 基于動(dòng)態(tài)電壓修正的動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略

根據(jù)式（1）～式（3）中的電壓方程得知，IPMSM的電壓矢量主要由反電動(dòng)勢(shì)電壓以及動(dòng)態(tài)電壓兩大部分構(gòu)成，前者主要取決于電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與d、q 軸電流值，其優(yōu)化空間有限，且無(wú)法對(duì)IPMSM的動(dòng)態(tài)電流響應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，針對(duì)IPMSM 運(yùn)行于過(guò)調(diào)制區(qū)域存在的電流調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能?chē)?yán)重下降的問(wèn)題，本節(jié)以提高過(guò)調(diào)制運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力為目標(biāo)，研究了一種在矢量控制框架下的動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略。

IPMSM 矢量控制原理如圖3 所示，由于在高速運(yùn)行工況，d、q 軸電流耦合嚴(yán)重，為實(shí)現(xiàn)d、q 軸電流的解耦控制，需引入前饋電壓解耦，即

圖3 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of vector control system of PMSM

式中，ud_ff、uq_ff分別為d、q 軸耦合電壓項(xiàng)，為了確保解耦精度，在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)了電感與磁鏈隨電流和溫度變化的表格，以消除電機(jī)飽和效應(yīng)對(duì)解耦精度的影響。d、q 軸電流調(diào)節(jié)器的輸出疊加上耦合電壓項(xiàng)作為IPMSM 矢量控制的給定參考電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換后作為SVPWM 與過(guò)調(diào)制模塊的參考電壓，經(jīng)運(yùn)算后獲取IGBT 的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。

圖3 中的弱磁控制采用電壓前饋方法，即給定電壓uref與電流環(huán)輸出電壓幅值作差，經(jīng)PI 控制器得到d 軸補(bǔ)償電流（id-fw）。對(duì)于傳統(tǒng)算法，uref通常選取為，對(duì)應(yīng)圖4 中的六邊形內(nèi)切圓。為了提高直流母線電壓利用率，本文將電壓邊界設(shè)定為如圖4 所示的六邊形，而在此情況下，動(dòng)態(tài)過(guò)程中的過(guò)調(diào)制發(fā)生的頻率必然增加，為此本節(jié)將重點(diǎn)研究動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略，以改善六邊形電壓邊界運(yùn)行情況下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

圖4 電壓邊界示意Fig.4 Schematic of voltage boundary

當(dāng)IPMSM 運(yùn)行于高調(diào)制度區(qū)域時(shí)，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩或者轉(zhuǎn)速大幅突變工況，則d、q 軸電流給定值會(huì)產(chǎn)生較大變化，而電流調(diào)節(jié)器輸出的動(dòng)態(tài)電壓隨之增大，使得參考電壓超出六邊形邊界，進(jìn)入過(guò)調(diào)制狀態(tài)。從電壓分解的角度分析，通過(guò)將電機(jī)電壓矢量拆分為動(dòng)態(tài)電壓項(xiàng)與反電動(dòng)勢(shì)電壓項(xiàng)。進(jìn)一步，根據(jù)式（1）～式（3）可知，d、q 軸電流的導(dǎo)數(shù)取決于動(dòng)態(tài)電壓項(xiàng)，傳統(tǒng)的過(guò)調(diào)制策略無(wú)法保證修正后電壓矢量對(duì)應(yīng)d、q 軸動(dòng)態(tài)電壓項(xiàng)的符號(hào)與修正前相同，會(huì)出現(xiàn)d、q 軸電流向著與參考電流相反方向變化的情況，從而導(dǎo)致d、q 軸電流振蕩，動(dòng)態(tài)性能惡化。

本文所提的動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制原理如圖5 所示，即選用反電動(dòng)勢(shì)矢量與參考電壓矢量的終點(diǎn)連線與六邊形電壓邊界的交點(diǎn)作為實(shí)際輸出電壓矢量Umod。圖中Uref為修正前的參考電壓矢量，是反電動(dòng)勢(shì)電壓矢量Edqs與動(dòng)態(tài)電壓矢量Udqs_PI的矢量和。當(dāng)參考電壓矢量超出限制邊界時(shí)，保留反電動(dòng)勢(shì)電壓不變，單獨(dú)對(duì)電流環(huán)PI 調(diào)節(jié)器輸出的動(dòng)態(tài)電壓進(jìn)行修正，理論上可以有效改善負(fù)載突變（如電動(dòng)汽車(chē)撞擊路沿或者騰空）過(guò)程中電壓矢量不當(dāng)修正所造成的動(dòng)態(tài)電壓矢量反向問(wèn)題，進(jìn)而有效緩解傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制電壓修正策略所帶來(lái)的電機(jī)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能惡化問(wèn)題。

從圖5 所示的動(dòng)態(tài)電壓修正過(guò)程不難看出：在電壓矢量修正過(guò)程中，僅調(diào)整PI 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓矢量的幅值，而其方向維持不變，其好處在于能夠保持修正前后的d、q 軸動(dòng)態(tài)電壓符號(hào)不變，確保d、q軸電流向著期望的變化方向運(yùn)行，因此能夠有效克服電壓矢量不當(dāng)修正所造成的電流調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能惡化的問(wèn)題。

圖5 動(dòng)態(tài)電壓修正過(guò)調(diào)制策略示意Fig.5 Schematic of overmodulation strategy based on dynamic voltage modification

在實(shí)際仿真以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下求取Umod的過(guò)程，因受到轉(zhuǎn)子位置、六邊形電壓邊界以及反電動(dòng)勢(shì)矢量位置等多個(gè)因素的影響而變得極為復(fù)雜，如果不采取有效方式對(duì)電壓矢量的修正過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，算法實(shí)現(xiàn)需要耗費(fèi)巨大的運(yùn)算量，而且會(huì)對(duì)芯片的負(fù)荷率帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。采用坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法可以在一定程度上簡(jiǎn)化算法，省去大量繁瑣的三角函數(shù)運(yùn)算，減輕系統(tǒng)負(fù)荷?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)化的電壓矢量處理方式，如圖6 所示，以反電勢(shì)矢量的終點(diǎn)為作新坐標(biāo)系的原點(diǎn)，構(gòu)建基于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓的全新坐標(biāo)系。圖6 中選取反電動(dòng)勢(shì)矢量作為坐標(biāo)原點(diǎn)，構(gòu)建全新的動(dòng)態(tài)可變?chǔ)?-β' 坐標(biāo)系，在新坐標(biāo)系下參考電壓矢量U'ref的坐標(biāo)滿足

圖6 簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略示意Fig.6 Schematic of simplified dynamic overmodulation strategy

新坐標(biāo)系中6 個(gè)電壓空間矢量（V'1～V'6）的坐標(biāo)可表示為

表1 輸出電壓矢量與基本電壓矢量的叉積符號(hào)Tab.1 Cross product symbols of output voltage vector and basic voltage vector

圖7 扇區(qū)判斷流程Fig.7 Flow chart of sector identification

通過(guò)對(duì)PI 調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)電壓矢量進(jìn)行扇區(qū)定位，可以精準(zhǔn)解析動(dòng)態(tài)電壓矢量的落點(diǎn)信息。新型動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下，修正后的電壓矢量表達(dá)式為

以上過(guò)程表明，重新構(gòu)建新的坐標(biāo)系進(jìn)行目標(biāo)矢量的扇區(qū)判斷，不僅可以避免在扇區(qū)過(guò)渡區(qū)域中動(dòng)態(tài)電壓的落點(diǎn)誤判斷、誤處理問(wèn)題，而且整個(gè)流程簡(jiǎn)便、易操作，可以避免繁瑣的三角函數(shù)運(yùn)算，有效減小系統(tǒng)的運(yùn)算量。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所述新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略的有效性，在Matlab 中搭建相應(yīng)的仿真進(jìn)行算法驗(yàn)證，采用的主要仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation

電機(jī)控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)設(shè)定為空載、零速運(yùn)行，在系統(tǒng)初始化完成且正常運(yùn)行后，突加從0 r/min到3 500 r/min 階躍轉(zhuǎn)速指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速進(jìn)入弱磁狀態(tài)。待系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流等指標(biāo)穩(wěn)定后，控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩完成從0 N·m 至110 N·m 的突變，并觀察兩個(gè)動(dòng)態(tài)工況過(guò)程中電機(jī)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)。

圖8 所示為使用傳統(tǒng)最小幅值誤差過(guò)調(diào)制策略下電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩過(guò)程的仿真波形。

圖8 傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制策略仿真波形Fig.8 Simulation waveforms under conventional overmodulation strategy

其中，圖8（a）為運(yùn)行工況突變情況下的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，觀察發(fā)現(xiàn)，給定階躍轉(zhuǎn)速指令的過(guò)程中轉(zhuǎn)速會(huì)有較大的超調(diào)，高速運(yùn)行過(guò)程中突加大負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生較大的跌落；圖8（b）和（c）分別為上述工況下的電機(jī)d 軸以及q 軸電流波形，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生大幅突變的情況下，控制系統(tǒng)的d、q 軸電流都受到了較大影響，有不同程度的紊亂情況，尤其在突加階躍轉(zhuǎn)速指令的過(guò)程中，d 軸電流產(chǎn)生了較大的正向抖動(dòng)，電流給定與反饋嚴(yán)重偏離；圖8（d）為上述工況突變操作過(guò)程中電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形，與d、q 軸電流的抖動(dòng)相對(duì)應(yīng)，電磁轉(zhuǎn)矩在工況突變的過(guò)程中也產(chǎn)生了較大的抖動(dòng)。

圖9 所示為本文設(shè)計(jì)的基于PI 調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)電壓矯正的新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略下的對(duì)比仿真波形。

圖9 動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略仿真波形Fig.9 Simulation waveforms under dynamic overmodulation strategy

其中，圖9（a）為運(yùn)行工況突變情況下的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，高速狀態(tài)下突加負(fù)載轉(zhuǎn)速抖動(dòng)明顯減??；圖9（b）和（c）分別為基于電流環(huán)PI 調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略下的電機(jī)d、q 軸電流波形；圖9（d）為上述工況突變操作過(guò)程中電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形，相較傳統(tǒng)的最小幅值誤差過(guò)調(diào)制策略，工況突變情況下的轉(zhuǎn)矩改善明顯，抖動(dòng)情況基本消除，整體變化趨勢(shì)也更加平穩(wěn)。

對(duì)比圖8 和圖9 發(fā)現(xiàn)，本文所述的新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略相較傳統(tǒng)策略對(duì)于d、q 軸電流波形改善明顯，尤其在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩大幅突變的過(guò)程中，d 軸電流紊亂的情況明顯改善，正向抖動(dòng)的情況基本消除，與給定電流的變化趨勢(shì)基本吻合，且動(dòng)態(tài)持續(xù)時(shí)間也明顯縮短，同時(shí)，q 軸電流的抖動(dòng)情況也有顯著改善，變化趨勢(shì)也更加平滑。

圖10（a）為上述操作過(guò)程中α-β 坐標(biāo)系下電壓矢量的運(yùn)行軌跡，已經(jīng)明顯擴(kuò)展到電壓六邊形電壓邊界；圖10（b）為1～1.2 s 穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的調(diào)制度曲線，其中調(diào)制度定義為IPMSM 定子電壓幅值與直流母線電壓一半的比值。圖10（b）表明調(diào)制度在1.153～1.333 之間變化，其平均值約為1.236，比圖4中六邊形內(nèi)切圓對(duì)應(yīng)的調(diào)制度增加約7.5%，因此本文所提方法能夠提高直流母線電壓利用率。

圖10 電壓矢量軌跡與調(diào)制度曲線Fig.10 Trajectory of voltage vector and curve of modulation index

在如圖11 所示的對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以PMSM1 為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，PMSM2 為負(fù)載電機(jī)。PMSM2 與PMSM1 同軸相連，并通過(guò)逆變器2 進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制。PMSM1 工作在電動(dòng)狀態(tài)，而PMSM2 工作在發(fā)電狀態(tài)，并通過(guò)可控整流器將能量回饋至電網(wǎng)。圖11 中所有的控制器主芯片均采用德州儀器TMS320F28335 型號(hào)的數(shù)字處理芯片。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Experimental platform

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的新型過(guò)調(diào)制策略的效果，選取傳統(tǒng)最小幅值誤差過(guò)調(diào)制策略進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。圖12 所示為傳統(tǒng)策略下的實(shí)驗(yàn)效果，從上到下各條曲線依次為電機(jī)轉(zhuǎn)速指令信號(hào)及轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的q 軸、d 軸反饋電流。觀察發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速指令大幅突變過(guò)程中電機(jī)的d、q 軸電流產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，與圖8 所示的仿真波形基本吻合，動(dòng)態(tài)過(guò)程中電流動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性較差。

圖12 傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制策略下電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電流波形Fig.12 Waveforms of motor speed and current under conventional overmodulation strategy

圖13 所示為本文設(shè)計(jì)的基于PI 調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)電壓修正的動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略實(shí)驗(yàn)效果。圖13（a）完整展示了整個(gè)操作過(guò)程中轉(zhuǎn)速和d、q 軸反饋電流的變化情況，圖13（b）為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速突變動(dòng)態(tài)過(guò)程中d、q 軸反饋電流的細(xì)節(jié)。

圖13 新動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略下電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電流波形Fig.13 Waveforms of motor speed and current under novel dynamic overmodulation strategy

圖14 所示為負(fù)載轉(zhuǎn)矩由50 N·m 突變至100 N·m 情況下的d、q 軸電流響應(yīng)波形，可見(jiàn)d、q 軸電流響應(yīng)平穩(wěn)，不存在振蕩現(xiàn)象，且具有較好的動(dòng)態(tài)性能。因此，相較于傳統(tǒng)策略，本文設(shè)計(jì)的新型動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略對(duì)于電流的動(dòng)態(tài)性能改善明顯，工況突變情況下電流抖動(dòng)基本消除，變化趨勢(shì)也趨于平滑。

圖14 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變工況下動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略的電流響應(yīng)波形Fig.14 Waveforms of current response under dynamic overmodulation strategy with sudden change in load torque

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)調(diào)制策略進(jìn)行了策略特點(diǎn)以及性能分析，分析結(jié)果表明傳統(tǒng)過(guò)調(diào)制算法未對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PI 動(dòng)態(tài)電壓修正的動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略，以優(yōu)化d、q 軸電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，在保留原有電壓矢量反電動(dòng)勢(shì)不變的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地對(duì)單獨(dú)針對(duì)電流調(diào)節(jié)器輸出的動(dòng)態(tài)電壓進(jìn)行修正，并提出對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化算法。在Matlab/Simulink 仿真環(huán)境中搭建電機(jī)控制系統(tǒng)模型，對(duì)基于動(dòng)態(tài)電壓矢量修正動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，本文所述動(dòng)態(tài)過(guò)調(diào)制策略能夠有效優(yōu)化系統(tǒng)工況突變且進(jìn)入過(guò)調(diào)制狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)文中所述控制策略的正確性與可行性進(jìn)行了有效驗(yàn)證。