基于H橋逆變器的永磁容錯(cuò)電機(jī)電流滯環(huán)跟蹤與電壓空間矢量的脈寬調(diào)制比較研究*

白洪芬，　朱景偉，　孫軍浩，　周博文

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連　116026)

?

基于H橋逆變器的永磁容錯(cuò)電機(jī)電流滯環(huán)跟蹤與電壓空間矢量的脈寬調(diào)制比較研究*

白洪芬，朱景偉，孫軍浩，周博文

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026)

永磁容錯(cuò)電機(jī)的各相繞組采用H橋逆變器供電，消除了各繞組間的中性點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的直流電壓利用率和容錯(cuò)性能。在分析永磁容錯(cuò)電機(jī)H橋逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，闡述了電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和電流滯環(huán)跟蹤脈寬調(diào)制(CHBPWM)的原理，設(shè)計(jì)了三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，并建立了三相永磁容錯(cuò)電機(jī)SVPWM和CHBPWM的仿真模型，搭建了基于DSP的三相永磁容錯(cuò)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)仿真和試驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

H橋逆變器； 永磁容錯(cuò)電機(jī)； 矢量控制； 電流滯環(huán)跟蹤脈寬調(diào)制； 電壓空間矢量脈寬調(diào)制

0　引　言

永磁容錯(cuò)電機(jī)(Fault-Tolerant Permanent Magnet Motor, FTPMM)因具有良好的容錯(cuò)性和可靠性[1-3]，逐漸應(yīng)用于船舶運(yùn)輸、航天航空、醫(yī)療等對(duì)安全性要求較高的場(chǎng)合。傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常采用相繞組星型接法，用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器驅(qū)動(dòng)電路。在電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，故障相的電流可以通過(guò)中性點(diǎn)耦合到其他正常相，從而使整個(gè)系統(tǒng)都發(fā)生故障。因此，為了消除電機(jī)相與相之間的電氣耦合，F(xiàn)TPMM的各相繞組考慮采用單獨(dú)的H橋進(jìn)行供電。文獻(xiàn)[4]通過(guò)理論和仿真對(duì)比分析了H橋和星型驅(qū)動(dòng)電路在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和短路容錯(cuò)策略方面的區(qū)別，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]采用H橋控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)控制，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

電流滯環(huán)跟蹤脈寬調(diào)制(Current Hysteresis Band Pulse Width Modulation, CHBPWM)和電壓空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)是兩種常用的PWM控制策略，在基于全橋逆變電路的永磁同步電機(jī)控制中已得到了成熟應(yīng)用。近些年，越來(lái)越多的文獻(xiàn)開(kāi)始研究H橋和級(jí)聯(lián)型H橋，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了H橋型SVPWM控制算法的優(yōu)點(diǎn)[6-10]。文獻(xiàn)[11-12]通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了基于CHBPWM控制的H橋級(jí)聯(lián)型逆變器調(diào)制方法的可行性。雖然對(duì)基于H橋逆變電路的CHBPWM和SVPWM兩種控制方法的研究較多，但很少有文獻(xiàn)分析兩種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

因此，為了更好地研究H橋逆變器在FTPMM控制中的應(yīng)用，本文在分析三相FTPMM和H橋逆變電路基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)FTPMM矢量控制系統(tǒng)的基本原理，搭建仿真模型和試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)仿真和試驗(yàn)結(jié)果的分析，歸納對(duì)比了SVPWM和CHBPWM控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

1　FTPMM結(jié)構(gòu)及H橋逆變電路

三相FTPMM結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可看出： 三相FTPMM的每個(gè)槽內(nèi)只有一相繞組，繞組間由電樞齒隔開(kāi)，實(shí)現(xiàn)了物理隔離、熱隔離、磁隔離；采用H橋逆變電路供電，實(shí)現(xiàn)了各繞組間電氣隔離。通過(guò)開(kāi)槽深度和繞組匝數(shù)設(shè)計(jì)提高電抗，減小了短路電流，具有故障容錯(cuò)能力[13]。

圖1　三相四極FTPMM結(jié)構(gòu)圖

三相FTPMM的H橋逆變電路如圖2所示。圖2中Udc表示直流母線電壓，每個(gè)H橋逆變電路由4個(gè)IGBT和4個(gè)續(xù)流二極管組成，電機(jī)的一相繞組跨接在兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)。H橋逆變電路比普通的三相全橋逆變電路的電壓基波幅值要大，直流電源的利用率更高。電機(jī)各個(gè)繞組間無(wú)中性點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，也提高了直流電壓利用率，增加了器件的可靠性，提供了豐富的電壓空間矢量，為提高電機(jī)的容錯(cuò)控制能力提供了條件[14]。

圖2　三相FTPMM H橋逆變電路

2　FTPMM的矢量控制系統(tǒng)

2.1FTPMM矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FTPMM的矢量控制系統(tǒng)由FTPMM、H橋逆變器、轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速傳感器和電流控制環(huán)節(jié)等多個(gè)部分組成。電機(jī)轉(zhuǎn)速通常采用PI控制，定子電流可以采用CHBPWM控制或SVPWM控制。兩種矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2CHBPWM

CHBPWM技術(shù)是以正弦波電流為控制目標(biāo)的一種控制方式，其基本思想是根據(jù)給定的三相定子電流信號(hào)與檢測(cè)到的相應(yīng)定子電流信號(hào)的大小關(guān)系，確定H橋逆變電路中各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，保證在實(shí)際電流大于給定值時(shí)，通過(guò)逆變器使之減小，反之增大[15]。最終，實(shí)際電流波形圍繞給定的正弦電流在一定范圍內(nèi)作鋸齒狀變化。CHBPWM控制原理圖如圖4所示。

圖3　矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4　FTPMM A相CHBPWM控制

圖5為正弦參考電流滯環(huán)控制下相電流的產(chǎn)生過(guò)程。在頻率足夠高時(shí)，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率[16]為

(1)

圖5　FTPMM A相電流滯環(huán)控制電流波形

由式(1)可以看出，滯環(huán)比較器的環(huán)寬2h直接影響電流的跟蹤性能：h過(guò)大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；h過(guò)小時(shí)，跟蹤誤差小，但開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，開(kāi)關(guān)損耗增大。

圖6　滯環(huán)比較器開(kāi)關(guān)圖

采用移相三電平方式對(duì)驅(qū)動(dòng)器的相電流進(jìn)行跟蹤控制，使輸出電壓在Udc、0、-Udc之間切換[17]。根據(jù)開(kāi)關(guān)圖可以得出逆變器的開(kāi)關(guān)過(guò)程。

2.3SVPWM控制

SVPWM控制算法是根據(jù)逆變器不同工作模式下所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼?lái)追蹤基準(zhǔn)磁鏈圓的。根據(jù)追蹤結(jié)果確定變頻器的開(kāi)關(guān)模式，由逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小形成的組合，產(chǎn)生互差120°電角度且失真較小的三相正弦電壓[18]。

H橋逆變電路為180°導(dǎo)通型功率開(kāi)關(guān)管，上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通。三相H橋型逆變器共有23=8個(gè)電壓矢量，即6個(gè)非零有效電壓空間矢量U1～U6和2個(gè)零矢量U0、U7，0和1對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，“1”表示上橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，“0”表示下橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。由Ui(SaSbSc)表示的逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖7所示。

如圖8所示，SVPWM控制是在一個(gè)控制周期T內(nèi)，選擇與參考電壓矢量最接近的兩個(gè)開(kāi)關(guān)矢量，通過(guò)控制每個(gè)開(kāi)關(guān)矢量的工作時(shí)間，使各開(kāi)關(guān)矢量在平均伏秒意義上與參考電壓矢量的控制效果等效，如式(2)所示：

圖8　電壓空間矢量的線性組合

(2)

式中：T1、T2——所選的相鄰兩電壓矢量的作用時(shí)間；

T0——零矢量的作用時(shí)間。

確定電壓矢量切換點(diǎn)時(shí)，考慮到零矢量，根據(jù)開(kāi)關(guān)切換次數(shù)最少的原則，開(kāi)關(guān)次序可分配為(0，0，0)T→U1→U2→(1，1，1)T→U2→U1→(0，0，0)T，其中，U1、U2分別表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)中有1和2個(gè)上橋臂開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的工作電壓矢量。

2.4CHBPWM控制與SVPWM控制的關(guān)系

2.4.1兩種控制方式的諧波分析

三相FTPMM輸出的周期為T=2π/ω的非正弦電壓UA(ωt)滿足Dirichlet收斂條件，可分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)[19]：

(3)

其中：

由Dirichlet收斂定理可知，其傅里葉級(jí)數(shù)收斂。由SVPWM控制的工作原理展開(kāi)為

(4)

式中：UAn(ωt)是對(duì)UA(ωt)的逼近。

由式(4)可看出，SVPWM控制的電壓主要由基波和3次諧波構(gòu)成。由于H橋逆變電路各相繞組相互獨(dú)立，不能像普通同步電機(jī)那樣通過(guò)星型連接濾除3次諧波，所以該逆變電路輸出的電壓和電流會(huì)受到3次諧波的影響。

由于CHBPWM控制無(wú)需載波，所以輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。

2.4.2兩種控制方式的聯(lián)系

在正弦穩(wěn)態(tài)下，三相FTPMM電壓與電流的矢量關(guān)系為

(5)

式中：us——電壓矢量；

Rs——定子電阻；

is——定子電流矢量；

Ls——定子電感；

Ψf——永磁體在電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生的等效磁鏈，Ψf=Ψfejθr，且Ψf為恒值。

則式(5)可近似表示為

(6)

由式(6)可知，在一定速度下，定子電流矢量is偏差的方向與電壓矢量us的方向和關(guān)系是可以判斷的。CHBPWM控制由Δis區(qū)域檢測(cè)判斷開(kāi)關(guān)順序，SVPWM由us判斷開(kāi)關(guān)順序，所以兩種控制方式在一定情況下可以達(dá)到同樣的效果。

3　兩種控制策略的仿真研究

為了驗(yàn)證基于H橋逆變器的矢量控制策略的正確性，在MATLAB/Simulink R2012a中搭建三相FTPMM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，對(duì)基于CHBPWM和SVPWM的兩種方法的控制性能進(jìn)行比較。兩種方法均采用id=0的控制策略。表1為仿真時(shí)所需的電機(jī)參數(shù)，仿真時(shí)間設(shè)置為0.3s。

表1　仿真所需的電機(jī)參數(shù)

為便于比較，兩者速度環(huán)均采用PI控制且取相同的PI系數(shù)，仿真時(shí)間均設(shè)置為0.3s。起動(dòng)時(shí)給定轉(zhuǎn)速n=1000r/min，轉(zhuǎn)矩T=2.3N·m，在t=0.1s突加轉(zhuǎn)速到n=2000r/min，在t=0.2s時(shí)突加負(fù)載到額定轉(zhuǎn)矩T=3.75N·m，所得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的仿真波形如圖9所示。

圖9　轉(zhuǎn)速、負(fù)載突變時(shí)波形變化圖

由圖9可看出，CHBPWM控制的響應(yīng)速度比SVPWM控制稍快；但是在負(fù)載和速度突變時(shí)，由于CHBPWM控制的開(kāi)關(guān)頻率不固定，所以其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和速度脈動(dòng)比SVPWM要大得多。

在0.21～0.3s時(shí)間內(nèi)，兩種控制方式均為穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)該時(shí)間段內(nèi)的電壓進(jìn)行諧波分析，如圖10所示。

圖10　電壓諧波分析

由圖10可知，在參數(shù)相同的情況下，SVPWM在基波頻率附近的THD值較大，而CHBPWM沒(méi)有特定頻率的諧波含量。

仿真結(jié)果表明： 基于SVPWM控制策略的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)小、諧波含量少；而CHBPWM控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度較快，當(dāng)功率器件的開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)不依賴于電機(jī)參數(shù)，魯棒性好。因此，在對(duì)響應(yīng)速度要求較高的場(chǎng)合應(yīng)該優(yōu)先考慮采用CHBPWM控制，而對(duì)于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速精度要求較高的場(chǎng)合則需要考慮采用SVPWM控制。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為了進(jìn)一步分析基于H橋逆變電路的FTPMM的性能，對(duì)基于CHBPWM和SVPWM的兩種控制方式進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)用三相四極FTPMM控制系統(tǒng)如圖11所示。其中功率器件選用FGA25N120ANTD IGBT，控制器采用TMS320F28335 DSP芯片。FTPMM同軸安裝一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)作為負(fù)載，其三相輸出經(jīng)整流后連接可調(diào)變阻器，通過(guò)調(diào)節(jié)變阻器改變系統(tǒng)負(fù)載的大小。其中，試驗(yàn)電機(jī)的參數(shù)與表1中的仿真參數(shù)相同。

圖11　FTPMM控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)時(shí)，給定轉(zhuǎn)速為1000r/min。兩種控制策略下電機(jī)輸出到示波器中的三相電流波形如圖12所示。

圖12　電流波形圖

由圖12可知，兩種控制策略下三相電流波形均為近似正弦波，驗(yàn)證了H橋逆變電路驅(qū)動(dòng)的兩種控制方式的正確性。其中，基于SVPWM控制的輸出電流由于3次諧波的影響而使波形與標(biāo)準(zhǔn)正弦有一定偏差，與理論分析一致。

同樣工作條件下，測(cè)得兩種控制方式的轉(zhuǎn)速波形如圖13所示。

圖13　轉(zhuǎn)速波形圖

由圖13可知，兩種控制策略下轉(zhuǎn)速均可以正確跟蹤給定轉(zhuǎn)速。SVPWM控制的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)約為1.1%，CHBPWM控制的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)約為2.5%，與仿真結(jié)果相同。

同樣工作條件下，測(cè)得兩種控制方式的轉(zhuǎn)矩波形如圖14所示。

圖14　轉(zhuǎn)矩波形圖

由圖14的試驗(yàn)波形可知，兩種控制策略均可輸出給定的轉(zhuǎn)矩。SVPWM控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)(約為6.2%)比CHBPWM控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)(約為7.3%)稍小。

5　結(jié)　語(yǔ)

基于H橋的逆變電路與傳統(tǒng)的三相全橋逆變電路相比，其實(shí)現(xiàn)了繞組間的電氣隔離，在結(jié)構(gòu)上保證了系統(tǒng)的容錯(cuò)控制能力。本文分析了SVPWM和CHBPWM兩種矢量控制方式的基本原理，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種控制策略的可行性。相對(duì)于CHBPWM控制，SVPWM控制對(duì)直流側(cè)電壓的利用率更高，可以減少開(kāi)關(guān)和諧波損耗，從而降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而CHBPWM控制則可優(yōu)先用于對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度要求較高的場(chǎng)合。對(duì)于兩種PWM控制策略的研究，對(duì)以后基于H橋逆變電路的FTPMM的故障檢測(cè)與分析具有重要的意義。

[1]MECROW B C, JACK A. Design and testing of a four-phase fault-tolerant permanent-magnet machine for an engine fuel pump [J]. IEEE Transaction on Energy Conversion, 2004,19(2)： 132-137.

[2]陳賢陽(yáng)，黃開(kāi)勝，陳賢波.五相永磁容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)與故障控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2014，41(8)： 22-27.

[3]王霞，朱景偉，曹林柏，等.基于Ansoft的雙繞組永磁容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2015，42(9)： 34-38.

[4]司賓強(qiáng),朱紀(jì)洪,吉敬華.四相永磁容錯(cuò)電機(jī)短路故障容錯(cuò)策略[J].控制與決策,2014,29(8)： 1489-1494.

[5]康爾良,霍亮,呂德剛.永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正交控制研究[J].微電機(jī),2015,48(4)： 43- 46.

[6]盧崢,閻德鍵,朱思國(guó).級(jí)聯(lián)型H橋多電平逆變器SVPWM控制研究[J].電力電子技術(shù),2012,46(10)： 90-92.

[7]李衛(wèi)超,馬偉明,汪光森,等.中點(diǎn)鉗位型H橋級(jí)聯(lián)單相逆變器新型空間矢量脈寬調(diào)制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(30)： 5313-5319.

[8]朱玉瓊,朱方田,方蒽,等.一種H橋級(jí)聯(lián)型多電平逆變器SVPWM通用算法實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng),2013,43(5)： 28-32.

[9]李明勇,朱鵬,蔡巍.基于空間矢量脈寬調(diào)制的5相H橋型逆變器諧波控制[J].高電壓技術(shù)，2012,38(11)： 3080-3086.

[10]蔡巍,喬鳴忠,張曉鋒.H橋型五相感應(yīng)電機(jī)SVPWM控制技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2008,20(4)： 33-38.

[11]朱思國(guó),歐陽(yáng)紅林,劉鼎,等.基于電流滯環(huán)控制的H橋級(jí)聯(lián)型逆變器新型調(diào)制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(2)： 212-218.

[12]張加勝,李浩光.基于滯環(huán)控制的電壓型變流器開(kāi)關(guān)頻率分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2008,20(2)： 57-59.

[13]孫軍浩，朱景偉，白洪芬，等.基于滑模觀測(cè)器的永磁容錯(cuò)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2016，43(6)： 1-6.

[14]朱景偉,刁亮,任寶珠.具有冗余特性的永磁容錯(cuò)電機(jī)短路故障分析與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(3)： 80-86.

[15]王成元,夏加寬,孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[16]洪峰,單任仲,王慧貞,等.一種變環(huán)寬準(zhǔn)恒頻電流滯環(huán)控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(1)： 115-119.

[17]梁錦濤,趙升噸,趙永強(qiáng),等.多相永磁電機(jī)各相獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)床與液壓,2014,42(15)： 57-62.

[18]阮毅,陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[19]GUO H, XU J, KUANG X. A novel fault tolerant permanent magnet synchronous motor with improved optimal torque control for aerospace application [J].Chinese Journal of Aeronautics, 2015,28(2)： 535-544.

Comparative Study of Current Hysteresis Band and Space Vector Pulse Width Modulation Control for Fault-Tolerant Permanent Magnet Motor Based on H-Bridge Inverter*

BAIHongfen,ZHUJingwei,SUNJunhao,ZHOUBowen

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The H-bridge inverters are adapted to supply power for the fault-tolerant permanent magnet motor(FTPMM). on the base of analyzing the circuit structure and principle of H-bridge inverter，the basic principle of space vector pulse width modulation (SVPWM) and current hysteresis band pulse width modulation (CHBPWM) for three-phase fault-tolerant permanent magnet motor (FTPMM) was introduced and the FTPMM vector control system was designed. Then the simulations were built in MATLAB/Simulink and the experimental platform of three-phase FTPMM control system based on digital signal processor (DSP) was built and the experiments were carried out on it. The advantages and disadvantages and application fields of two control strategies were compared from the simulation and experiment results.

H-Bridge inverter; fault-tolerant permanent magnet motor (FTPMM); vector control; current hysteresis band pulse width modulation(CHBPWM); space vector pulse width modulation(SVPWM)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51077007)；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(2011224004)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(3132016313)

白洪芬(1988—)，女，博士研究生，研究方向?yàn)橛来湃蒎e(cuò)電機(jī)的控制。

朱景偉(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)及控制、新能源變換技術(shù)等。

TM 351

A

1673-6540(2016)08- 0014- 07

2016-01-28