1、http:/- 1 -中国科技论文在线基于三电平的永磁同步电动机矢量控制电流反馈动态解耦控制研究 刘建坤，张伦健，侯圣语 *作者简介：刘建坤 （1988-），男，硕士研究生，电力电子与电力传动. E-mail: 5（中国矿业大学信息与电气工程学院 江苏 徐州 221116）摘要：基于三电平的空间矢量脉宽调制技术的控制方法，对永磁同步电机进行了控制策略研究。永磁同步电机采用id=0的矢量控制方法，实现了电流的静态解耦，但是动态耦合关系依然存在，造成id,iq动态过程中相互影响，在高加减速过渡过程中动态耦合影响更为显著，使电机的动态性能变差。本文使用了基于电流反馈的动态解耦，在MATLAB 10
2、2007b/simulink 中建立了永磁同步电机三电平SVPWM控制系统的模型，并进行了仿真实验，仿真结果表明永磁同步电机三电平SVPWM动态解耦控制系统的正确性。关键词：永磁同步电机；三电平；动态解耦；空间矢量控制中图分类号：TM35115 Study on current feedback dynamic decoupling of vector control for PMSM based on three-level inverterLIU jiankun, ZHANG lunjian, HOU shengyu(School of Information and Electrical
3、 Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou City ,Jiangsu Province)20 Abstract: Based on three-level space vector pulse width modulation control method, there is a study on permanent magnet synchronous motor(PMSM) control strategy. The method id=0 of PMSM can achieve the current d
4、ecoupling in a static state, but there still exist the dynamic coupling between the d-q current, resulting in id, iq dynamic process of mutual influence and cause bad performance of PMSM. This paper presents a decoupling method with current feedback. 25 A three-level PMSM based on SVPWM strategy is
5、simulated using MATLAB 2007b/simulink. The simulation results show that the dynamic decoupling of PMSM provides excellent performance.Key words: PMSM；three_level ；dynamic decoupling； space vector modulation30 0 引言风能是一种很有潜力的可再生资源，直驱式风力发电系统取消了齿轮传动装置，提高了机组的稳定性，具有寿命长，维护方便，效率高的优点。随着对风力发电系统的研究，直驱风力发电系统逐渐显
6、示出更多的优势。基于空间电压矢量的调制技术，不仅使得电机转动脉动降低，电流波形畸变减少，而35 且直流侧电压利用率提高 1。本文采用三电平逆变器构成控制系统，相对两电平 PWM 逆变器，开关电压仅为直流母线电压的 1/2，减少了谐波含量，提高了逆变器输出功率。永磁同步电机一般采用 id=0 的矢量控制方法。实现了电流励磁分量和转矩分量的解耦，但这只是静态解耦。在永磁同步电机经过数学模型变换之后 id， iq 之后仍然存在耦合，在加减速过渡过程中，i d，i q 耦合将造成电磁转矩波动 2，不能满足现在调速系统高速，高精度的40 要求。本文对 id，i q 的动态解耦分析，并通过仿真验证理论分析
7、。http:/- 2 -中国科技论文在线1 数学模型以表面式永磁同步电机为研究对象，经坐标变换得到在 d-q 轴坐标系下的数学模型 3为：(1-1)qfdiL45 (1-2)dqsqdsdtiRu其中 ， ， ， ， ， ， 和 分别为定子磁链、电压、电流和电感的 d-dqduqdidLq 轴分量。 将式（1-1）带入到式（ 1-2）中，可得(1-3)fdqqs qddsiLtiiRu电磁转矩方程为：50 (1-4)5.1dqdeinpT由上式可以看出，i d，i q 之间存在耦合。为此引入 id，i q 的前馈解耦控制 4-5，方便电流控制器的设计。设电压控制指令为：(1-5)fdqq qd
8、diLiGus)(*2*1其中 为反电动势补偿项， 、 为调节器函数。f)155 将式（1-5）带入到式（1-3）中化简可以得到：(1-6)qqsq ddsd LisRti *2211)()(电流反馈解耦控制结构图如图 1 所示。图 1 id，i q 反馈解耦控制图http:/- 3 -中国科技论文在线60整个系统采用双闭环结构，外环为速度环，内环为电流环。实际转速与参考转速比较后通过速度控制器输出为交轴电流 iq 的参考值。i d，i q 实际值与参考值 id*，i q*比较后通过电流调节器输出直轴，交轴电压，再加上电压前馈补偿，构成了完整的电压控制。经过矢量变换输出脉冲控制逆变器，输出三相
9、电压控制永磁同步电机。65 2 三电平逆变器 SVPWM 调制算法在二极管箝位三电平逆变器主电路，设直流侧电压为 Udc ，三电平逆变器每相桥臂上开关状态共有三种：U dc/2， 0，-U dc/2。 根据对称性，三电平逆变器共有 27 种开关状态，27 中状态输出 19 个开关矢量，构成矢量空间。开关矢量分为零矢量，小矢量，中矢量，大矢量（零矢量，小矢量有冗余状态），开关矢量将矢量空间分为 6 个扇区，24 个区域。70图 2 三电平逆变器电压空间矢量图2.1 各基本矢量作用时间计算先确定合成矢量所在扇区及内部小区域，然后根据扇区判断出最接近的三个输出电压矢量，可计算输出电压矢量作用时间。假
10、设合成矢量位于第一扇区中 D 小区域内，如图 375 所示，根据伏秒平衡原则 68得：图 3 第一扇区合成矢量图 图 4 第二扇区合成矢量图V0T0+V1T1+V2T2=Uref TS80 T0+T1+T2=TS其中 T0，T 1，T 2 为 V0，V 1， V2 作用时间，T S 为控制周期。得到 V0，V 1，V 2 作用的时间： http:/- 4 -中国科技论文在线)31(20 VUTd TUVTd341 )31(2Vd其中 Ud=2/3Udc 。若合成矢量 Uref 在第二扇区的 D 小区域内，如图 4 所示，若以 d/q 为坐标系，则第二85 扇区可以看成在 d/q 坐标系下的第一
11、扇区。 因此可以通过 /到 d/q 的坐标变换，把第二扇区转换成 d/q 坐标系下的第一扇区。通过坐标变换，得出第二扇区的矢量作用时间，可以减少每个扇区内的计算量。只需求解出第一扇区的时间，其他扇区的作用效果和第一扇区的作用效果相同，后续的计算则都可以按第一扇区的计算方法进行，简化了计算。则第二扇区的 D 小区域内的作用时间为：90 )31(20 qdVUTTUVTdq341 )31(2qdV其中 Ud=2/3Udc 。同理可以求得在 A,B,C 三个小区域中矢量作用的时间，由上述方法可以得出在其他 5个扇区中的作用时间。2.2 基本矢量作用顺序95 由上述计算得出各个矢量作用时间，为了减少开
12、关损耗，需要减少开关动作的次数，因而每次开关状态的变化，只改变一相开关状态，从而减少开关损耗并降低开关频率。以第一扇区 D 小区域为例，具体的输出矢量的作用顺序为：PPO PPN PON OON PON PPN PPO。根据开关矢量作用顺序就可以得出三相桥臂开关器件的驱动信号。3 仿真结果100 为了验证前述动态解耦控制策略和三电平电压空间矢量控制方式的正确性，建立了基于 MATLAB/simulink 的仿真模型。仿真参数设置如下：R s=0.78 ，L d=Lq=0.0085H ， f =0.303Wb ，J=0.00107kg m2 ，p=2，逆变器直流母线电压为 600V。载波频率为
13、2KHz。电机空载启动，0.3s 时加负载转矩 5Nm,仿真时间为 1s 。图 5 为静态、动态解耦转矩波形对比图；图 6 为静态、动态解耦转速波形对比图；图 7 为电机定子线电压波形图。105(a)静态解耦转矩波形 (b)动态解耦转矩波形图 5 静态、动态解耦转矩波形对比http:/- 5 -中国科技论文在线110 (a)静态解耦速度波形 (b)动态解耦速度波形图 6 静态、动态解耦速度波形对比图 7 PMSM 定子线电压波形图115由仿真曲线图 5、图 6 可以看出，空载启动时，系统响应快速，在 0.3s 加负载后，能够快速的趋于稳定，使系统稳定运行。由静态、动态的转速、转矩波形可以看出，
14、动态解耦时转速、转矩的波形波动相比于静态解耦时波形波动小，动态解耦时波形有明显改善。4 结论120 本文采用了 id，i q 动态解耦的控制策略，进行理论分析与仿真建模，由仿真结果可知，动态解耦时波形有明显改善。但其性能受到参数估计的影响，对参数的精度要求较高。同时仿真结果验证了三电平 SVPWM 控制策略对永磁同步电机控制的正确性。参考文献 (References)125 1 赵辉，鲁超，岳友军.基于三电平逆变器的永磁同步电机控制策略研究J.电气自动化，2010,32（3）：11-132 杨明，付博，李钊，等.永磁同步电机矢量控制电压解耦控制研究 J.电气传动，2010,40（5）：24-2
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