基于重構電壓矢量的共直流母線型開繞組永磁同步電機改進直接轉矩控制

孫 丹 趙 琛 柯偉煌 王銘澤 年 珩

基于重構電壓矢量的共直流母線型開繞組永磁同步電機改進直接轉矩控制

孫 丹 趙 琛 柯偉煌 王銘澤 年 珩

（浙江大學電氣工程學院 杭州 310027）

針對共直流母線型開繞組永磁同步電機（OW-PMSM）基本電壓矢量豐富、存在零序回路的特性，該文提出兩種基于重構電壓矢量的共直流母線型開繞組永磁同步電機改進直接轉矩控制策略。為充分利用OW-PMSM所產生的電壓矢量，定義19個重構電壓矢量并基于此改進零序電流抑制方法，擴大直接轉矩控制的備選電壓矢量范圍。根據重構矢量數量多、幅值不同的特點，將五位轉矩滯環控制器引入直接轉矩控制中，實現電機轉矩脈動的抑制。針對滯環控制器控制精度有限等問題，提出無滯環控制器的改進直接轉矩控制策略，定義一種新的區域劃分方式并建立重構電壓矢量選擇表，通過對參考電壓矢量的定位實現重構電壓矢量的精確選擇。實驗結果驗證了所提控制策略的可行性和優越性。

開繞組永磁同步電機 共直流母線 直接轉矩控制 零序電流抑制

0 引言

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）因其效率高、功率密度大等優勢，在交通運輸、軍事、航空航天等領域得到廣泛應用[1-3]。隨著工業化的推進，電機驅動系統繼續朝著高性能、高效率、高可靠性方向發展，開繞組（Open-Winding, OW）PMSM系統應運而生[4-5]。

OW-PMSM并不改變電機的本體結構，僅將傳統PMSM的中性點打開，形成開放式繞組，繞組兩端各連一個逆變器。雙逆變器可產生多電平效果，產生更豐富的電壓矢量[6]。在雙逆變器開繞組系統常見的幾種供電方式[7-9]中，共直流母線型系統具有體積小、性價比高等優點，得到國內外學者的廣泛關注。然而，共直流母線的存在為零序電流提供了流通回路，而零序電流會增加電機系統的損耗，使電機發熱嚴重，破壞系統性能，因此需對其進行抑制以提高系統效率[10-12]。

目前，共直流母線型OW-PMSM系統零序電流抑制已有豐富的研究成果。文獻[13]建立零序電流的閉環控制回路，引入正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）策略使逆變器磁場產生合適的零序電壓以抵消反電動勢的3次諧波含量，實現零序電流的抑制，但控制過程繁瑣。文獻[14]引入PR控制器獲得零序電壓的參考值，并通過調制生成所需的零序電壓以抑制零序電流，但PR控制器的參數難以整定。文獻[15]則引入模型預測控制思想，通過預測模型結合價值函數來獲得最佳的零序電流抑制效果，但需遍歷所有備選電壓矢量，計算量大。

直接轉矩控制（Direct Torque Control, DTC）是一種高性能的電機控制理論，它結構簡單、魯棒性強、響應迅速[16]。傳統DTC采用兩個滯環控制器通過電壓矢量選擇表確定所需電壓矢量，但電機轉矩脈動較大[17]。通過引入多電平逆變器可產生更多的電壓矢量，抑制電機的轉矩脈動[18]，這與開繞組系統的多電平特性相吻合，因此，DTC對于減小OW-PMSM的轉矩脈動具有很大潛力。

文獻[19]通過選擇零序電壓為零的電壓矢量作為控制轉矩和磁鏈的基本電壓矢量，并插入零矢量來產生合適的零序電壓以抑制零序電流，但整個控制中僅利用6個中矢量和零矢量，并未充分利用OW-PMSM系統所提供的電壓矢量。文獻[20]根據電機不同的轉速建立了兩個電壓矢量選擇表，在低速時選擇小矢量，在高速時選擇中矢量和大矢量，充分利用了OW- PMSM所產生的電壓矢量，然而電機高低速的界限模糊，難以準確界定。文獻[21]引入五位轉矩滯環控制器，將電壓矢量選擇表合并為一個，并根據轉矩滯環控制器的輸出大小選擇電壓矢量，但由于滯環控制器本質上是一種不精確的控制器，它允許被控制量存在一定誤差，同時，根據滯環控制器的控制機理，當轉矩或磁鏈誤差達到滯環控制器的設定帶寬邊界時，將直接選擇反矢量作用而不存在選擇相鄰矢量的過渡過程，因此其轉矩脈動的抑制效果仍然有限。文獻[22]提出了一種不含轉矩滯環控制器的DTC策略，通過一種新的區域劃分方式并設置對應電壓矢量選擇表來選擇電壓矢量，轉矩脈動抑制效果明顯，但此方法僅適用于雙獨立電源型OW-PMSM系統，由于零序電流約束的存在，該方法無法直接移植到共直流母線型OW-PMSM系統的控制中。

本文提出了基于重構電壓矢量的共直流母線型OW-PMSM的改進DTC策略。首先建立共直流母線型OW-PMSM的數學模型，分析其基本電壓矢量及對應的零序電壓。借助基本電壓矢量零序電壓大小不一的特性，重構出一組零序電壓為零的新電壓矢量，并提出基于重構電壓矢量的改進零序電流抑制方法。為充分利用共直流母線型OW-PMSM系統所產生的電壓矢量，提出基于重構電壓矢量和改進零序電流抑制方法的五位轉矩滯環控制器改進DTC策略和無滯環控制器改進DTC策略，以提高電壓矢量的選擇準確度，減小電機的轉矩脈動。最后通過實驗驗證所提控制策略的有效性和優越性。

1 共直流母線型OW-PMSM系統數學模型

1.1 共直流母線型OW-PMSM系統拓撲結構

共直流母線型OW-PMSM系統拓撲結構如圖1所示。常規PMSM三相定子繞組的中性點被打開，定子繞組兩端分別與逆變器1和逆變器2相連，整個系統僅使用一個直流源，并通過雙逆變器向電機供電。

雙逆變器為OW-PMSM提供的電壓可表示為

式中，為電機三相電壓，=a,b,c；1和2分別為逆變器1和逆變器2為電機提供的電壓；dc為系統直流側電壓；1和2分別為逆變器1和逆變器2各橋臂的開關信號，當=1表示上橋臂的開關器件導通，反之，當=0表示下橋臂的開關器件導通。

1.2 共直流母線型OW-PMSM數學模型

OW-PMSM在αβ坐標系下的定子電壓可表示為

式中，α、β、α、β和α、β分別為電機αβ坐標系下的定子電壓、定子電流和定子磁鏈α、β軸分量；s為電機定子電阻。

利用電壓型磁鏈觀測器，共直流母線型OW-PMSM的定子磁鏈s為

不同于常規PMSM系統，共直流母線型OW-PMSM系統的雙逆變器通過一組母線連接在一起，形成了零序電流的通路。零序回路會產生零序電流和3次磁鏈，因此共直流母線型OW-PMSM在0軸下的電壓和電流可表示為

考慮到零序電流的存在，OW-PMSM的輸出轉矩可表示為

式中，e為電機輸出轉矩；p為電機的極對數。

1.3 基本電壓矢量分析

單個逆變器有八種開關狀態，因此雙逆變器共有64種不同的開關狀態，但由于開關狀態組合存在冗余，使其僅對應19個不同的基本電壓矢量，基本電壓矢量的分布如圖2所示，其中包括大矢量（藍色電壓矢量）、中矢量（紫色電壓矢量）、小矢量（粉色電壓矢量）各6個及零矢量1個。其中′表示由逆變器1提供和逆變器2提供′的合成結果。

圖2 基本電壓矢量分布

由于共直流母線型OW-PMSM系統存在零序電流通路，因此需考慮基本電壓矢量所對應的零序電壓，其零序電壓可表示為

根據式（8）可知，大矢量的零序電壓為±dc/3，中矢量的零序電壓為0，小矢量的零序電壓為±2dc/3或±dc/3，而零矢量的零序電壓為±dc或0。

2 傳統直接轉矩控制策略

由于僅有6個中矢量是零序電壓為0的有效電壓矢量，因此為抑制零序電流，傳統的共直流母線型OW-PMSM DTC僅將6個中矢量作為候選電壓矢量[23]。電壓矢量的扇區劃分如圖2所示，利用式（3）和式（9）觀測定子磁鏈的扇區位置信息。

考慮到OW-PMSM系統中開關狀態組合的冗余性，本文選擇其中一組中矢量（24′,26′,46′,42′,62′,64′）形成電壓矢量選擇表，見表1。

表1 傳統直接轉矩控制電壓矢量選擇表

Tab.1 Voltage vector selection table of conventional DTC

當選擇6個中矢量作為候選電壓矢量時，雖可保證施加電壓矢量的零序電壓為0，但由于存在3次諧波反電動勢，系統仍存在零序電流。為抑制零序電流，傳統方法是將零矢量插入控制周期[15]。

將式（5）做離散化處理，并令下一時刻的零序電流值為0，即可得到此時系統所需的零序電壓參考值為

式中，上標ref表示參考值；0()為第個控制周期電機的零序電流；s為系統控制周期。

因此，在一個控制周期s內，由零矢量作用時間，而剩余s-時間施加電壓矢量選擇表選出電壓矢量。這樣便可合成系統所需的零序電壓矢量，從而使電機零序電流得到有效抑制。

3 改進直接轉矩控制策略

相比于常規PMSM，OW-PMSM可產生更為豐富的電壓矢量，相當于細化了電壓矢量平面。因此可考慮合理利用所產生的電壓矢量，改進DTC的控制性能。然而，傳統DTC僅用6個中矢量作為備選電壓矢量，并未充分發揮OW-PMSM系統的優勢。因此本文重構19個零序電壓為0的電壓矢量，并基于此改進零序電流抑制方法，針對共直流母線型OW-PMSM分別提出結合重構電壓矢量和改進零序電流抑制方法的五位滯環控制器DTC和無滯環控制器的改進DTC，以減小電機的轉矩脈動。

3.1 重構電壓矢量

根據1.3節的分析，各小矢量均存在零序電壓為‘dc/3’或‘-dc/3’的開關狀態組合，同時各大矢量的零序電壓也為‘dc/3’或‘-dc/3’，因此可用大、小矢量共同形成一組零序電壓為0的重構電壓矢量。由于開關狀態的冗余性，選擇一組大、小電壓矢量，其相鄰零序電壓正負相間，且其零序電壓絕對值為dc/3。為方便后續分析，本文選擇圖2中被標為紅色和綠色的大、小矢量，其中所有紅色電壓矢量的零序電壓均為+dc/3，所有綠色電壓矢量的零序電壓均為-dc/3。

圖3a為扇區A的重構電壓矢量轉化關系圖。當23′和14′各作用半個控制周期時，其重構合成的電壓矢量1分布在23′和14′連線的中點位置，又由于23′和14′的零序電壓分別為+dc/3和-dc/3，此重構的電壓矢量的零序電壓剛好為0。同理，14′和25′可重構為電壓矢量2，23′和34′可重構為電壓矢量3，25′和34′可重構為電壓矢量4，它們均分布在兩個基本電壓矢量的中點位置，且零序電壓均為0。這樣，扇區A中4個零序電壓非零的電壓矢量被轉化為4個零序電壓為0的重構電壓矢量。

圖3 重構電壓矢量分布

從圖2可知，共直流母線型OW-PMSM系統的電壓矢量平面分布具有以零矢量為中心的60°旋轉對稱性，因此其余5個扇區電壓矢量的重構方式類似，可得到18個非零的重構電壓矢量。轉化后的電壓矢量平面同樣需要零矢量，為盡可能地統一重構電壓矢量的轉換原則，且保證所有重構電壓矢量的零序電壓均為0，重構零電壓矢量通過零序電壓為dc的87′和零序電壓為-dc的78′各作用半個控制周期得到。因此，重構電壓矢量平面分布如圖3b所示，共存在19個零序電壓為0的重構電壓矢量，所有重構電壓矢量對應的轉化關系總結于表2。

表2 重構電壓矢量對應轉化關系

Tab.2 Corresponding transformation relationship of reconstructed voltage vector

3.2 基于重構矢量的改進零序電流抑制方法

根據式（10）分析，為了抑制系統的零序電流，需為系統提供一定的零序電壓。從表2可知，用于轉化非零重構電壓矢量的基本電壓矢量，其零序電壓均為±dc/3。為提供合適的零序電壓，需令兩個基本電壓矢量存在一定的作用時間差，對于非零的重構電壓矢量而言，根據伏秒特性可得

而對于重構零電壓矢量而言，根據伏秒特性，則有

基于此，本文提出一種與重構電壓矢量相對應的基于作用時間差的改進零序電流抑制方法。為生成所需參考零序電壓矢量，需使零序電壓為正的基本電壓矢量在一個控制周期中作用s/2+Δ時間，同時使零序電壓為負的基本電壓矢量作用s/2-Δ時間，以達到有效抑制電機零序電流的目的。

3.3 基于五位轉矩滯環控制器的改進DTC策略

將基本電壓矢量平面轉化為重構電壓矢量平面，并結合基于重構電壓矢量的改進零序電流抑制方法，使得擴大共直流母線型OW-PMSM直接轉矩控制中的備選電壓矢量范圍成為可能。傳統DTC中有限的轉矩滯環控制器輸出成為擴大電壓矢量選擇范圍的約束，為充分利用所有重構電壓矢量，可引入五位轉矩滯環控制器。

五位轉矩滯環控制器共有“±2”、“±1”、“0”五種輸出。當輸出為“±2”時，從圖3中黃色重構電壓矢量中選擇一個矢量；當輸出為“±1”時，從圖3中灰色重構電壓矢量中選擇一個矢量；當輸出為“0”時，則選擇重構電壓矢量0，電壓矢量選擇表見表3。由表3可看出，引入五位轉矩滯環控制器后，共直流母線型OW-PMSM DTC中所有重構電壓矢量均可被選擇。

表3 五位轉矩滯環控制器改進DTC電壓矢量選擇表

Tab.3 Voltage vector selection table of improved DTC based on five-level torque hysteresis controller

3.4 無滯環控制器的改進DTC策略

由于滯環控制器本身的特性，基于滯環控制器的DTC策略仍存在較大轉矩脈動，為進一步抑制轉矩脈動，本文同時提出一種結合重構電壓矢量和改進零序電流抑制方法的不含滯環控制器的改進DTC策略。

在所提出的改進DTC策略中，對OW-PMSM轉矩和磁鏈幅值的控制通過對定子磁鏈矢量的控制來實現。根據轉矩式（7），由于零序電流可被有效抑制，同時電機3次磁鏈的值相對較小，因此式（7）中第三項可忽略。當電機的給定轉矩改變時，其變化量可以轉化為所需功角的變化量Δδ，它可通過給定轉矩與實際轉矩的誤差經轉矩PI調節器輸出得到[24]。由于在DTC系統中，參考磁鏈幅值通常設置為恒定，結合所需功角的變化量Δδ，參考定子磁鏈可確定。轉矩及磁鏈控制過程如圖4所示。

圖4 轉矩及磁鏈控制過程

當參考定子磁鏈矢量確定后，在一個控制周期內，所需的定子磁鏈矢量增量為

當所需定子磁鏈矢量增量確定后，參考電壓矢量可表示為

為完成參考電壓矢量的區域定位，實現區域與重構電壓矢量的一一對應，方便重構電壓矢量選擇，本文設計了一種新的區域劃分方式，如圖5所示。圖中將a-b-c軸逆時針旋轉30°并定義為a′-b′-c′軸，每個軸有兩條區域分割線。以a′軸為例，其中一條區域分割線位于3和6在a′軸投影的中點，即

式中，l表示a′軸上的其中一條區域分割線。

將轉換后的結果代入式（19），可得到所屬區域標志位組合，實現對參考電壓矢量ref的區域定位，即可根據區域標志位組合與重構電壓矢量的對應關系選擇相應的重構電壓矢量。區域標志位所對應的重構電壓矢量選擇表見表4。

表4 改進DTC重構電壓矢量選擇表

Tab.4 Reconstructed voltage vector selection for improved DTC

由表4可以看出，改進DTC策略的備選電壓矢量范圍同樣被擴大，可充分利用共直流母線型OW-PMSM系統產生的電壓矢量。當選好重構電壓矢量，并結合3.2節中的改進零序電流抑制方法，可確定每個基本電壓矢量的作用時間，生成驅動信號。整個無滯環控制器改進DTC的控制框

圖如圖6所示。

圖6 改進DTC策略框圖

4 實驗驗證

本文通過實驗研究比較基于零矢量插入的傳統DTC（策略Ⅰ）、基于五位轉矩滯環控制器的改進DTC（策略Ⅱ）和無滯環控制器改進DTC（策略Ⅲ）三種策略的控制性能。實驗中以TMS320F28335的DSP作為系統的控制芯片，直流母線電壓dc=60V，PMSM參數s=1.35Ω,d=5.86mH，q=11.05mH，0=4.68mH，f=0.154 7Wb，3f=0.003 2Wb，p=4，電機額定轉速N=750r/min, 額定轉矩LN=3N·m, 額定功率250W, 額定電壓70V, 額定電流2.2A，系統采樣周期s=100μs。為了確保對比實驗的公平性，本文所有實驗均采用相同的轉速環PI參數：p=6，i=0.01。

4.1 穩態性能分析

圖7比較了三種策略的穩態性能，電機參考轉速為500r/min，負載轉矩為3N·m。從圖7可知，三種策略的轉矩脈動分別為1.19N·m、0.82N·m和0.5N·m。相比策略Ⅰ，策略Ⅱ和Ⅲ的轉矩脈動抑制效果更好，其中策略Ⅲ的抑制效果最明顯。充分證明了本文所提的基于重構電壓矢量的改進直接轉矩控制方案在轉矩脈動抑制效果上的優越性。

圖8為三種策略的三相及零序電流波形，以及相電流的FFT分析。由圖8可知，三種策略均具有較好的零序電流抑制效果，驗證了所提出的基于重構矢量的改進零序電流抑制方法的有效性。三種策略的電流THD分別為24.69%、21.98%和13.16%，其中，策略Ⅲ因摒棄了滯環控制器而提高了所選電壓矢量的精度，諧波消除效果最明顯。

圖8 三種策略的電流波形及其FFT分析

4.2 動態性能分析

圖9展示了三種策略的動態性能，包含轉速和轉矩響應。轉速動態實驗中，將轉速給定從250r/min突增至750r/min，電機空載運行。由圖9可看出三種策略均經過0.9s后使電機穩定在新的給定轉速，整個加速過程中電機均以最大輸出轉矩加速。轉矩動態實驗中，電機給定轉速為500r/min，負載轉矩從0突增至3N·m。根據圖9分析可知，在負載突增時，電機轉速有短暫的微小跌落，三種策略均經過1.15s后使電機穩定輸出給定負載轉矩。因此，所提改進策略與傳統DTC具有同樣優異的轉速和轉矩動態性能。同時可以發現，無論是轉速還是轉矩的動態過程，策略Ⅱ和策略Ⅲ均呈現出較低的轉矩脈動和較小的零序電流，說明所提改進策略在動態過程同樣具有較好的轉矩脈動和零序電流的抑制能力。

圖9 三種策略的動態性能（左：空載突增轉速，右：恒速突增轉矩）

5 結論

本文提出了基于重構電壓矢量的共直流母線型OW-PMSM改進DTC策略，主要貢獻如下：

1）定義了零序電壓為零的重構電壓矢量，基于重構矢量改進了零序電流的抑制方法，擴大了DTC的備選電壓矢量范圍，充分發揮了共直流母線型OW-PMSM系統可提供多個電壓矢量的特點。

2）結合重構電壓矢量和改進零序電流抑制方法，引入了五位轉矩滯環控制器，有效抑制了共直流母線型OW-PMSM傳統DTC中的轉矩脈動。

3）基于重構電壓矢量和改進零序電流抑制方法，定義了新的區域劃分方式，提出了不含滯環控制器的改進DTC策略，提高了電壓矢量選擇精度，進一步減小了轉矩脈動。

4）實驗結果驗證了所提改進控制策略對降低轉矩脈動和電流諧波、抑制零序電流的有效性和優越性。

[1] 李昱, 郭宏, 平朝春, 等. 基于電流源變流器的永磁同步電機驅動系統全狀態變量預測轉矩控制[J]. 電工技術學報, 2021, 36(1): 15-26.

Li Yu, Guo Hong, Ping Zhaochun, et al. A full-state variable predictive torque control of current source converter fed permanent magnet synchronous motor drives[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(1): 15-26.

[2] He Mingjie, Li Weiye, Peng Jun, et al. Multi-layer quasi three-dimensional equivalent model of axial-flux permanent magnet synchronous machine[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2021, 5(1): 3-12.

[3] Cui Fengrui, Sun Zhaolong, Xu Wei, et al. Comparative analysis of bilateral permanent magnet linear synchronous motors with different structures[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(2): 142-150.

[4] 陳文漢, 孫丹, 王銘澤. 斷相故障下開繞組永磁同步電機模型預測控制容錯控制策略研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(1): 77-86.

Chen Wenhan, Sun Dan, Wang Mingze. Research on fault-tolerance strategy based on model predictive control for open-winding PMSM system under open-phase fault[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(1): 77-86.

[5] 張曉光, 閆康, 張文涵. 開繞組永磁同步電機混合雙矢量模型預測控制[J]. 電工技術學報, 2021, 36(1): 96-106.

Zhang Xiaoguang, Yan Kang, Zhang Wenhan. Hybrid double vector model predictive control for open-winding permanent magnet synchronous motor with common DC bus[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(1): 96-106.

[6] 孫丹, 林斌, 周文志. 開繞組電機系統拓撲及控制技術研究綜述[J]. 電工技術學報, 2017, 32(4): 76-84.

Sun Dan, Lin Bin, Zhou Wenzhi. Overview of topology and control technology of open winding motor system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(4): 76-84.

[7] 林曉剛, 黃文新, 姜文, 等. 共母線開繞組永磁同步電機缺相容錯型直接轉矩控制[J]. 電工技術學報, 2020, 35(24): 5064-5074.

Lin Xiaogang, Huang Wenxin, Jiang Wen, et al. Fault- tolerant direct torque control for open-end winding permanent magnet synchronous motor with common DC bus under open phase circuit[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(24): 5064-5074.

[8] Lee Yongjae, Ha Jung-lk. Hybrid modulation of dual inverter for open-end permanent magnet synchronous motor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(6): 3286-3299.

[9] 年珩, 阮晨輝, 何峪嵩, 等. 基于Z源逆變器的共直流母線開繞組永磁同步電機系統控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(18): 5509-5519, 5599.

Nian Heng, Ruan Chenhui, He Yusong, et al. Control strategy for open-winding PMSM system with common DC bus based on Z-source inverters[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(18): 5509-5519, 5599.

[10] 楊帆, 金鑫, 沈煜, 等. 基于零序導納變化的靈活接地系統接地故障方向判別算法[J]. 電力系統自動化, 2020, 44(17): 88-94.

Yang Fan, Jin Xin, Shen Yu, et al. Ground fault direction discrimination algorithm for flexible grounding system based on zero sequence admittance change[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(17): 88-94.

[11] 韋明杰, 石訪, 張恒旭, 等. 基于零序電流波形區間斜率曲線的配電網高祖接地故障檢測[J]. 電力系統自動化, 2020, 44(14): 164-171.

Wei Mingjie, Shi Fang, Zhang Hengxu, et al. High voltage grounding fault detection of distribution network based on zero sequence current waveform interval slope curve[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(14): 164-171.

[12] Nian Heng, Ruan Chenhui, He Yusong, et al. Control strategy for open-winding PMSM system with common DC bus based on Z-source inverters[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(18): 5509-5519, 5599.

[13] 年珩, 曾恒力, 周義杰. 共直流母線開繞組永磁同步電機系統零序電流抑制策略[J]. 電工技術學報, 2015, 30(20): 40-48.

Nian Heng, Zeng Hengli, Zhou Yijie. Zero sequence current suppression strategy for open winding permanent magnet synchronous motor with common DC bus[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 30(20): 40-48.

[14] Sun Dan, Chen Wenhan, Cheng Yifei, et al. Improved direct torque control for open-winding PMSM system considering zero-sequence current suppression with low switching frequency[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(4): 4440-4451, 4647.

[15] Yuan Xin, Zhang Shuo, Zhang Chengning, et al. Improved finite-state model predictive current control with zero-sequence current suppression for OEW-SPMSM drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(5): 4996-5006.

[16] 陳浩, 和陽, 趙文祥, 等. 基于占空比調制的五相容錯永磁游標電機直接轉矩控制[J]. 電工技術學報, 2020, 35(5): 1055-1064.

Chen Hao, He Yang, Zhao Wenxiang, et al. Direct torque control of five-phase fault-tolerant permanent magnet vernier motor based on duty cycle modulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1055-1064.

[17] 張曉光, 張亮, 侯本帥. 永磁同步電機優化模型預測轉矩控制[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(16): 4800-4809.

Zhang Xiaoguang, Zhang Liang, Hou Benshuai. Improved model predictive torque control of permanent magnet synchronous motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(16): 4800-4809.

[18] Wang Mingze, Sun Dan, Ke Weihuang, et al. A universal lookup table-based direct torque control for OW-PMSM drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(6): 6188-6191.

[19] Lin Xiaogang, Huang Wenxin, Jiang Wen, et al. Direct torque control for three-phase open-end winding PMSM with common DC bus based on duty ratio modulation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(4): 4216-4232.

[20] Suresh Lakhimsetty, Venkata Siva Prasad Setelli, Rajjendra Singh Rathore, et al. Multilevel torque hysteresis-band based direct-torque control strategy for a three-level open-end winding induction motor drive for electric vehicle applications[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 7(3): 1969-1981.

[21] Ravi Eswar Kodumur Meesala, Vinay Kumar Thippiripati. An improved direct torque control of three-level dual inverter fed open-ended winding induction motor drive based on modified look-up table[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(4): 3906-3917.

[22] Wang Mingze, Sun Dan, Zheng Zhihao, et al. A novel lookup table based direct torque control for OW-PMSM drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, DOI: 10.1109/TIE.2020. 3018067.

[23] 范文進, 鄭瓊林, 楊中平, 等. 一種中高速區轉矩優化的異步電機直接轉矩控制算[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(1): 240-249.

Fan Wenjin, Zheng Qionglin, Yang Zhongping, et al. A direct torque control algorithm of asynchronous motors with torque optimization in medium and high speed regions[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(1): 240-249.

[24] Wang Zheng, Wang Xueqing, Cao Jiawei, et al. Direct torque control of T-NPC inverters-fed double-stator-winding PMSM drives with SVM[J]. IEEE Transactions onPower Electronics, 2018, 33(2): 1541-1553.

Reconstructed Voltage Vector Based Improved Direct Torque Control Strategy for Open-Winding Permanent Magnet Synchronous Motor with Common DC Bus

Sun Dan Zhao Chen Ke Weihuang Wang Mingze Nian Heng

（College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China）

Aiming at the characteristics of open-winding permanent magnet synchronous motor (OW-PMSM) with common DC bus, such as abundant basic voltage vectors and the existence zero sequence circuit, this paper proposed an improved direct torque control strategy based on the reconstructed voltage vector for OW-PMSM with common DC bus. In order to make full use of the voltage vectors generated by OW-PMSM, 19 reconstructed voltage vectors were defined. And based on this, the zero-sequence current suppression method was improved to expand the range of candidate voltage vectors for direct torque control (DTC). According to the characteristics of reconstructed vectors, such as abundant numbers and different amplitudes, a five-bit torque hysteresis controller was introduced into DTC to suppress the torque ripple. Aiming at the problem of limited control precision of hysteresis controller, a new region division method was defined and the corresponding reconstructed voltage vector selection table was established. By locating the reference voltage vector, the reconstructed voltage vector could be selected accurately. The experimental results verify the feasibility and superiority of the proposed control strategy.

Open winding permanent magnet synchronous motor, common DC bus, direct torque control, zero sequence current suppression

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211481

TM351

孫 丹 女, 1975年生, 教授, 博士生導師, 研究方向為交流電機高性能控制策略和雙饋風力發電技術。E-mail：sundan@zju.edu.cn（通信作者）

趙 琛 男, 1997年生, 博士研究生, 研究方向為交流電機高性能控制策略和新能源發電并網技術。E-mail：eezhaochen@zju.edu.cn

2021-09-18

2021-10-12

國家自然科學基金資助項目（51877197）。

（編輯 郭麗軍）