趙鋼，張楠，竇汝振

（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津300300）

基于三電平逆變器PMSM控制系統(tǒng)的研究

趙鋼1，張楠1，竇汝振2

（1.天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津300300）

三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題影響永磁同步電機(jī)調(diào)速性能，基于電荷守恒控制策略對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)電位進(jìn)行控制，使中點(diǎn)電位趨于平衡。在Matlab/Simulink平臺(tái)搭建基于三電平逆變器的PMSM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了電荷守恒控制策略對(duì)中點(diǎn)電位的抑制效果，同時(shí)證明了PMSM在中點(diǎn)電位平衡條件下良好的調(diào)速特性。

三電平逆變器；永磁同步電機(jī)；空間矢量算法；電荷守恒

1 引言

目前傳統(tǒng)汽車(chē)對(duì)石油的消耗日益增加，而石油儲(chǔ)備日益匱乏，因此研究高效安全電動(dòng)汽車(chē)成為汽車(chē)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。由于永磁同步電機(jī)（PMSM）具有功率因數(shù)高、效率高、功率密度高、轉(zhuǎn)矩電流比高等特點(diǎn)［1］，所以本文采用PMSM作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

與傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)中的兩電平逆變器相比，三電平逆變器具有許多優(yōu)勢(shì)：輸出電壓的相位和幅值容易調(diào)節(jié)、諧波含量低、逆變效率高、可使用價(jià)格便宜的低頻開(kāi)關(guān)器件、適合于高壓大功率場(chǎng)合等。而且，采用三電平逆變器的變頻調(diào)速系統(tǒng)可以節(jié)省大量能源［2］，因此本文選擇三電平逆變器設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，三電平逆變器會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)電位偏移現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致逆變器電壓波形發(fā)生畸變，進(jìn)而在電機(jī)電壓中產(chǎn)生低次諧波，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，影響調(diào)速性能。為了解決這一問(wèn)題，本文對(duì)中點(diǎn)電位平衡控制進(jìn)行分析，以減少低次諧波，保證電動(dòng)汽車(chē)安全可靠的運(yùn)行。

2 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用二極管鉗位型逆變器作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的主電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，三電平逆變器每相橋臂由4個(gè)開(kāi)關(guān)管以及2個(gè)鉗位二極管構(gòu)成，每相橋臂可以輸出+0.5Vdc，-0.5Vdc，03種電壓，即正（1）、負(fù)（-1）、零（0）3種電平［3］。

圖1 三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The toplogy of three-level inverter

由以上分析可知，三電平逆變器共有27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，除去8種冗余的開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，逆變器輸出19個(gè)開(kāi)關(guān)矢量，組成空間矢量如圖2所示。通過(guò)對(duì)三電平逆變器進(jìn)行合理的調(diào)制，使其可以輸出幅值、頻率任意可調(diào)的SVPWM波，從而使PMSM控制系統(tǒng)獲得良好的調(diào)速性能［4］。

圖2 三電平空間矢量圖Fig.2 Three-level space vectors diagram

但是由于二極管鉗位型逆變器本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它存在著中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題。中點(diǎn)電位直接影響到逆變器輸出波形的質(zhì)量，為了保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，必須對(duì)這一現(xiàn)象加以抑制。

3 中點(diǎn)電位平衡控制策略

3.1 中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題分析

如圖1所示，三電平逆變器的直流側(cè)是由兩個(gè)電容組成的，并且這兩個(gè)電容中點(diǎn)與鉗位二極管的中點(diǎn)相連，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電流io在直流母線電容C1，C2上充放電不均衡現(xiàn)象，進(jìn)而使得三電平逆變器中點(diǎn)電壓隨開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變而浮動(dòng)。

在三電平空間矢量調(diào)制過(guò)程中，由于大矢量和零矢量作用時(shí)不影響直流側(cè)電容電壓，所以對(duì)中點(diǎn)電位無(wú)影響。中矢量是單獨(dú)出現(xiàn)的，對(duì)中點(diǎn)電位的影響是單方向的，并且無(wú)法通過(guò)調(diào)節(jié)中矢量來(lái)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位，所以它是影響中點(diǎn)電位的主要因素。小矢量成對(duì)出現(xiàn)，而且它們對(duì)中點(diǎn)電位的影響正好相反［5］，所以通過(guò)調(diào)節(jié)小矢量實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡控制。

通過(guò)分析三電平SVPWM各個(gè)矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，可以采用控制電壓矢量的方法控制中點(diǎn)電壓，但是這種方法會(huì)使直流母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，因此本文采用電荷守恒控制策略，通過(guò)控制流入流出中點(diǎn)的電荷量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡。

3.2 電荷守恒控制策略

中點(diǎn)電位的偏移表現(xiàn)為逆變器直流側(cè)兩電容的電壓不等，造成這一現(xiàn)象的根本原因是中點(diǎn)電荷的流入、流出不均衡，因此可以從控制電荷的角度來(lái)控制中點(diǎn)電位。本文采用電荷守恒理論，通過(guò)檢測(cè)直流母線電容電壓和三相交流電流值，使流入、流出電容電荷趨于平衡。

不同時(shí)刻中點(diǎn)電流為i0可表示為

式中：Si為開(kāi)關(guān)狀態(tài)（i=a，b，c）。

通過(guò)（Sa，Sb，Sc）的狀態(tài)可以確定哪一相電流流經(jīng)直流側(cè)電容。根據(jù)式（1）可知各個(gè)矢量作用時(shí)中點(diǎn)電流和相電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，大矢量和零矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流為零［6］。

本文采用7段式正小矢量作為首發(fā)矢量，這種矢量控制方式由4個(gè)基本矢量組成，設(shè)每一矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流為iN0，iN1，iN2，iN3，它們作用的時(shí)間分別為0.5t0，t1，t2，0.5t0，因?yàn)檎∈噶亢拓?fù)小矢量流入中點(diǎn)的電流大小相等方向相反，所以iN0=-iN3。

當(dāng)7段式空間矢量作用時(shí)，中點(diǎn)電荷的變化量為

在一個(gè)PWM采樣周期Ts內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)直流側(cè)2個(gè)電容上的電壓，可以得到中點(diǎn)電位的偏移量：

則通過(guò)公式可以得到中點(diǎn)電荷變化量：

為了使中點(diǎn)電荷趨于平衡，需要在下一周期補(bǔ)償該周期電荷的變化量：

為了達(dá)到這一目的，需要引入調(diào)節(jié)因子K重新分配7段式空間矢量的作用時(shí)間，因此iN0，iN1，iN2，iN3的作用時(shí)間變?yōu)?.5（1+K）t0，t1，t2，0.5（1-K）t0。經(jīng)過(guò)調(diào)整后的中點(diǎn)電荷的變化量為

由式（4）～式（6）可得：

實(shí)際控制因子K受到幅值限制，需要滿足-1＜K＜1的條件。

通過(guò)電荷平衡理論，對(duì)7段式空間矢量的作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到中點(diǎn)電位的平衡控制。

4 基于三電平逆變器PMSM控制系統(tǒng)仿真

本文提出電荷守恒控制策略對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制，有效地解決了三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上對(duì)永磁同步電機(jī)三電平SVPWM控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，該系統(tǒng)基于矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制方案。系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 基于三電平逆變器永磁同步電機(jī)空間矢量控制系統(tǒng)的仿真模型Fig.3 Simulation model of vector control system for PMSM base on three-level inverter

系統(tǒng)運(yùn)用電荷平衡理論對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)電位進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速性能進(jìn)行驗(yàn)證［7-8］。

該系統(tǒng)對(duì)27kW的永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，具體參數(shù)如下：直流側(cè)電壓VDC=600 V，直流側(cè)電容C1=C2=2 200μF。電機(jī)參數(shù)：相電感L=1 mH，相電阻R=0.05Ω；SVPWM采樣周期T=0.1ms，基波頻率f=50Hz。

圖4為無(wú)中點(diǎn)電平控制的仿真結(jié)果，結(jié)果表明，在沒(méi)有引入中點(diǎn)電位控制算法之前，中點(diǎn)電位已經(jīng)發(fā)生偏移，而且波動(dòng)比較大，幅值約6 V，會(huì)影響電機(jī)控制系統(tǒng)性能，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行控制。

圖4 未加中點(diǎn)控制的中點(diǎn)電位波動(dòng)波形Fig.4 Simulation waveform not adopting mid-point control strategy

加入電荷守恒中點(diǎn)控制算法之后，中點(diǎn)電位的偏移被校正，圍繞中點(diǎn)上下波動(dòng)，而且波動(dòng)值也有一定的抑制，幅值約0.5 V，如圖5所示，證明該算法對(duì)中點(diǎn)電位的控制比較理想。

圖5 電荷守恒中點(diǎn)電位波動(dòng)波形Fig.5 Simulation waveform adopting mid-point control strategy based on charge conservation

在中點(diǎn)電荷趨于平衡的情況下，對(duì)永磁同步電機(jī)三電平SVPWM控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到電機(jī)仿真波形圖。圖6為PMSM定子三相電流波形圖，由仿真波形可知，電機(jī)三相定子電流在突加給定或給定突變的情況下，三相電流很快趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定狀態(tài)下，三相電流諧波成分低，達(dá)到預(yù)期效果。

圖6 電流波形圖Fig.6 Waveforms of current

圖7為電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波形圖，從仿真結(jié)果分析可知，電機(jī)在轉(zhuǎn)速給定突變時(shí)，電機(jī)可以恒電磁轉(zhuǎn)矩輸出，這就保證了電機(jī)快速響應(yīng)的要求。當(dāng)轉(zhuǎn)速跟隨給定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從仿真結(jié)果可以看到電機(jī)調(diào)速性能比較理想。

圖7 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波形圖Fig.7 Waveforms of torque and speed

通過(guò)以上的仿真結(jié)果可知，按照電荷守恒控制策略對(duì)三電平逆變器中點(diǎn)電位進(jìn)行有效的控制，在此基礎(chǔ)上，驗(yàn)證PMSM三電平SVPWM控制系統(tǒng)良好的調(diào)速性能。

5 結(jié)論

由于三電平逆變器相對(duì)于兩電平逆變器具有較多優(yōu)勢(shì)，本文以三電平逆變器作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)主電路，采用電荷守恒控制策略解決了三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的現(xiàn)象，同時(shí)，對(duì)三電平SVPWM永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明PMSM控制系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，且具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性，為PMSM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了思路。

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Research of PMSM Control System Based on the Three-level Inverter

ZHAO Gang1，ZHANG Nan1，DOU Ru-zhen2
（1.Tianjin Key Laboratory of Control Theory&Applications in Complicated Systems，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.China Automotive Technollogy&Research Center，Tianjin 300300，China）

The neutral voltage imbalance of three-level inverter affected the PMSM speed control performance. The neutral voltage of three-level inverter was controlled based on the charge conservation theory strategy to balance the neutral voltage.The PMSM speed-current double closed-loop control system was established in the Matlab/ Simulink platform，proved the inhibitory effects of the charge conservation theory strategy applied on the neutral voltage，as well as the good speed regulation characteristic of PMSM under the condition of balanced neutral voltage.

three-level inverter；permanet magnet synchronous motor（PMSM）；space vector strategy；charge conservation

TM351

A

2013-10-23

修改稿日期：2014-07-08

趙鋼（1962-），男，教授，Email：zg_tj@yeah.net