一種新穎的SPMSM驅動系統自適應死區補償方法

摘要：逆變器死區效應將造成電機電流畸變，為提高表貼式永磁同步電機電流控制精度，提出一種自適應死區電壓補償策略。該方法利用參考電流建立d、q軸死區電壓核函數，能夠在表貼式永磁同步電機電阻、電感參數未知的情況下，對d、q軸死區電壓的幅值進行辨識，將辨識的電壓幅值與其核函數相乘得到所需補償的死區電壓。從而解決了輸死區電壓造成的相電流畸變難題。仿真結果表明，所提出的電流控制策略能夠有效減少相電流諧波含量、提高電流控制精度。

關鍵詞：表貼式永磁同步電機;驅動系統;死區效應;相電流畸變;自適應補償

中圖分類號： TP273? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）04-0015-04

Abstract： The deadtime effect of voltage source inverter （VSI） produce the phase current distortion of the motor. In order to enhance the current control accuracy of the surface mounted permanent magnet synchronous motor （SPMSM）， an adaptive deadtime voltages compenation strategy is proposed. The proposed method uses the reference current commands to model the kernel function of the d and q axes deadtime voltages and then identifies the ampitudes of the d and q axes deadtime voltages in the case of unknown resistor and inductance of the motor. The compensated deadtime voltages are equivalent to the product of identified amplitudes and kernel functions. Then， the problem of phase current distortion is successfully solved. The simulation results show that the amplitude of phase current harmonics are reduced effectively， and the current control accuracy is enhanced.

Key words： surface mounted permanent magnet synchronous motor; drive system; deadtime effect; phase current distortion; adaptive compensation

表貼式永磁同步電機（SPMSM）功率密度高、輸出轉矩與q軸電流成比例，被廣泛應用于高精度伺服系統[1]。矢量控制技術采用級聯控制結構，電流控制性能決定了轉矩控制精度和電機銅耗，是影響調速系統性能的關鍵因素。常規PID控制簡單易行，但對系統參數和外界擾動的魯棒性較差。針對這一缺點，文獻[2-4]分別提出自適應PID控制[2]、模糊PI控制[3]、模型預測控制[4]以提高電流控制精度。

當電機運行于低速輕載工況時，逆變器死區效應將造成電機相電流畸變嚴重[5]。重復控制[6]能夠有效抑制系統周期擾動，但電機低速運行時，該算法需要存儲一個周期電流的采樣值，這對CPU的內存消耗較大。文獻[7]提出一種在線延時補償算法，該算法可省掉開關器件沒有必要的開通和關斷，具有輸出電流諧波含量小的有點，但該方法需要在線計算電機反電動勢，電機溫度的變化會造成反電動勢計算出現誤差，進而影響補償精度。文獻[8]基于死區電壓模型，提出基于q軸電流誤差的死區時間補償算法，但文中并未對算法的全局穩定性進行討論。文獻[9]提出一種新型的最小均方電流控制算法，具有低計算量和較好的參數魯棒性。

本文將同步旋轉坐標系下死區電壓模型表示為核函數與不確定乘子的乘積的形式，通過設計漸進穩定的自適應擾動觀測器對未知乘子進行在線辨識，選用參考電流指令代替實際電機相電流計算核函數，有效消除了零電流鉗位現象。理論和仿真分析表明該方法只需已知電阻與電感參數的界，便可實現對死區電壓的有效補償。

1 同步旋轉坐標系下電壓源逆變器死區電壓模型

3 仿真研究

在Matlab/Simulink環境下搭建了SPMSM調速系統仿真平臺。其中，死區時間3μs、電流環、速度環采樣時間分別為100μs、500μs，SVPWM采樣頻率10kHz，所用電機電參數如表1所示。

首先，在PI電流控制策略下相電流波形如圖3所示。由圖3可知，電流在過零時出現的較明顯的零電流鉗位現象，這使得相電流波形畸變嚴重。通過對相電流進行頻譜分析知，死區電壓使得相電流中出現了5、7、11、13次諧波，相電流畸變率為20.18%，如圖4所示。

在PI電流控制器中加入本文所提自適應死區電壓補償器，零電流鉗位現象已被基本消除，電流波形接近理想的正弦波如圖5所示。通過對相電流進行頻譜分析知，5、7、11、13次諧波已基本被消除，相電流畸變率降到2.74%，如圖7所示。補償器輸出電壓如圖8所示。

4 結語

推導了同步旋轉坐標系下的死區電壓模型，并將死區電壓表示為未知慢變乘子系數與核函數相乘的形式。用參考電流指令替代真實電流計算核函數，避免零電流鉗位造成的核函數判斷誤差，提出一種在已知SPMSM電阻、電感參數的界的情況，對死區電壓的未知乘子進行在線辨識的自適應死區電壓補償器，并證明了算法漸進穩定性。

參考文獻：

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【通聯編輯：唐一東】