基于三电平的永磁同步电机矢量控制的研究

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。采用将三电平空间矢量分解为六个小的两电平空间矢量的方法，转换为对两电平空间矢量的控制，简化了算法。永磁同步电机采用id=0的矢量控制方法，使用了基于电流反馈解耦，在MATLAB 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：TM351文献标识码：Adoi: 10.3969/j.issn.1003-6970.2011.03.028

Study on Vector Control for PMSM Based on Three-level Inverter

LIU Jian-kun, ZHANG Lun-jian, HOU Sheng-yu

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou City ,Jiangsu Province)

【Abstract】 Based on three-level space vector pulse width modulation control method, there is a study on permanent magnet synchronous motor(PMSM) control strategy. Decompose the three-level space vector into six small two-level space vector, the control method is converted to the two-level space vector control and the algorithm is simplified. This paper presents a decoupling method with current feedback. A three-level PMSM based on SVPWM strategy is simulated using MATLAB 2007b/simulink. The simulation results show that the control system of PMSM provides excellent performance.

【Key words】PMSM; Three level; Dynamic decoupling; Space vector modulation

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。文中采用将三电平空间矢量分解为六个小的两电平空间矢量的方法，将三电平空间矢量控制转换为对两电平空间矢量的控制，简化了算法。永磁同步电机一般采用id=0的矢量控制方法。对id，iq 的动态解耦分析，实现了电流励磁分量和转矩分量的解耦，并通过仿真验证理论分析。

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[2-3]为：

(1)

(2)

其中Ψd，Ψq，ud，uq，id，iq，Ld 和 Lq分别为定子磁链、电压、电流和电感的d-q轴分量。将式(1)带入到式(2)得：

(3)

由上式可以看出，id，iq之间存在耦合。

为此引入id，iq的前馈解耦控制[4]，方便电流控制器的设计。设电压控制指令为：

(4)

其中 ψf为反电动势补偿项，G1(s)、G2(s)为调节器函数。

将式（4）带入到式（3）中化简可以得到：

(5)

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。id，iq实际值与参考值id*，iq*比较后通过电流调节器输出直轴，交轴电压，经反馈补偿，构成了完整的电压控制。

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：Udc/2，0，-Udc/2。 根据对称性，三电平逆变器共有27种开关状态，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。

图1三电平逆变器电压空间矢量图

图2三电平分解两电平矢量图

由图1、2可以看到，三电平电压空间矢量是由6个两电平电压空间矢量重叠构成的。每个小六边形的中心都是三电平空间矢量小矢量的顶点。因此可以转换为对两电平空间矢量的控制。

根据Uref 在α/β坐标系下对应的分量Uα和Uβ计算合成矢量在哪个小六边形中。求得所在扇区N后，要把三电平矢量转换到两电平矢量需进行参考电压的修正[5]。

2.1参考电压的修正

参考电压修正是要使参考电压减去所在六边形的三电平小矢量，如图3所示。获的修正后的合成电压矢量Uref*。各个扇区电压矢量修正如表1所示。

经过电压矢量修正后就完全转换成对两电平矢量的控制，可以计算出各个矢量作用的时间。根据PWM波形控制三电平逆变器开关器件的开通与关断。在同一个扇区时，每一相状态的变化只能由1到0 ，0到-1两种状态，不会出现 1、0、-1三种状态的切换[6]。每相切换状态如表2所示。

3仿真结果

为了验证前述三电平电压空间矢量控制方式和解耦控制的正确性，建立了基于MATLAB/simulink的仿真模型。仿真参数设置如下：Rs=0.78Ω，Ld=Lq=0.0085H，Ψf=0.303Wb，J=0.00107kg・m2，p=2，逆变器直流母线电压为600V。载波频率为2kHz。电机空载启动，0.3s时加负载转矩5N・m,仿真时间为1s 。图4为转矩波形图；图5为转速波形图；图6为电机定子线电压波形图。

由仿真曲线图4、图5可以看出，空载启动时，系统响应快速，在0.3s加负载后，能够快速趋于稳定，使系统稳定运行。系统具有良好的动、静态性能，表明此三电平空间矢量转换成两电平空间矢量方法的正确性。

4结论

本文采用了将三电平空间矢量转换成两电平空间矢量进行控制的策略，进行了理论分析和仿真建模，简化了算法。同时采用id，iq解耦的控制策略。由仿真结果可知，系统具有良好的动态、静态性能，验证了这种算法的正确性。但整个系统其性能受到参数估计的影响，对参数的精度要求较高。

参考文献

[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)：11-13

[2] 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)：24-28.

[3] 赵小皓.直接驱动永磁同步电机控制策略仿真研究与实现[D].成都：西南交通大学，2009

[4] 周志刚.一种感应电机的解耦控制方法[J].中国电机工程学报，2003,23(2)：121-125

[5] 焦陈丰.中点箝位性三电平变流器空间矢量发生技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.

[6] 谭俊国，叶宗彬，景巍.三电平变频器控制策略的仿真与实现[J].电力电子技术，2007,41(8)

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文