基于不同控制策略的電機驅動系統EMI研究

鄭琦琦，杜明星，孫德明，魏克新

（天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

基于不同控制策略的電機驅動系統EMI研究

鄭琦琦，杜明星，孫德明，魏克新

（天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

在傳統脈沖寬度調制（PWM）的永磁同步電機（PMSM）驅動系統中，電磁干擾問題成為研究難點。分析矢量控制和直接轉矩控制的基本原理，得到諧波頻譜表達式，利用MATLAB仿真軟件建立PMSM驅動系統模型，在傳導干擾測試頻率范圍內，仿真了矢量控制和直接轉矩控制下逆變器輸出電壓的諧波分量。搭建實驗平臺，通過測試系統直流側的干擾，得到直接轉矩控制下系統產生的電磁干擾更小，是電動汽車用永磁同步電機驅動系統一種理想的控制策略。

永磁同步電機；傳導電磁干擾；矢量控制；直接轉矩控制

0　引言

隨著現代科技的發展，永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，PMSM）以其結構簡單、體積小和效率高等優點廣泛應用于電動汽車中［1～3］。在PMSM驅動系統中通常采取PWM方法，輸出離散高峰值的電壓諧波頻譜，主要集中在開關頻率及其整倍數頻率附近，這些諧波產生的電磁干擾（EMI）能量大、頻帶寬，對汽車裝置中電力電子設備的電磁兼容性能造成嚴重影響［4］。

針對系統中的電磁干擾問題，相關領域的學者提出濾波、屏蔽、隔離等措施進行抑制。這樣的方法增加了系統的體積和安裝費用，使得設計過程復雜化。因此可以采用不同的控制策略來抑制系統中的EMI，同時不會增加裝置的體積和重量。

目前電動汽車PMSM驅動系統普遍采用矢量控制和直接轉矩控制技術，矢量控制也被稱磁場定向控制（field oriented control，FOC），能實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，在電機驅動系統中獲得廣泛應用［5］。近年來國內外學者提出了直接轉矩控制（direct torque control，DTC）的方法，與傳統的矢量控制相比，直接轉矩控制具有：計算過程簡化，不需要進行旋轉坐標變換，轉矩的動態響應快等優點。文獻［6］對這兩種控制策略進行對比分析，仿真轉矩動態特性、電流脈動以及磁鏈脈動曲線。從相關文獻來看，對于不同控制策略應用在PMSM驅動系統中的EMI研究較少，且還不完善。因此通過仿真與實驗的方法，在PMSM驅動系統中分別采用FOC和DTC控制策略，研究電路的傳導EMI尤為重要。

本文分析FOC和DTC的控制原理，得到逆變器輸出側電壓的諧波分量頻譜。國標GB 9254-2008［7］規定了工業環境中受試設備EUT的傳導干擾測試限值，本實驗依據該標準，在150kHz～30MHz傳導干擾頻段內，搭建電機驅動系統實驗平臺，在FOC和DTC控制下，對比分析共模干擾/差模干擾的抑制效果。最后通過實驗，驗證了理論分析和仿真結果的正確性。

1　原理分析

1.1矢量控制

圖1為PMSM驅動系統拓撲結構，其中：Udc為直流電壓，R為放電電阻，C為支撐電容。

圖1　PMSM驅動系統拓撲結構

FOC的基本原理是通過測量和控制電機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對PMSM的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制電機轉矩的目的。采用空間矢量脈寬調制（space vector PWM，SVPWM），這種控制算法將逆變器和交流電機視為一個整體，建立在電機統一理論和電機坐標軸系變換理論基礎上，數學模型簡單，便于計算機的實時控制，在一個控制周期內，通過相鄰電壓矢量和零矢量合成得到所需的任意電壓矢量，實現電壓矢量的連續可調，因此目前無論在開環和閉環調速系統中均得到廣泛應用［8］。

SVPWM控制算法各次諧波分布的傅里葉級數形式如下［9］：

利用MATLAB得到逆變器輸出線電壓uab的各次諧波分量頻譜，如圖2所示。

圖2　FOC控制產生的諧波分量

1.2直接轉矩控制

DTC控制是一種新型的交流變頻調速技術，具有控制直接、計算簡單和魯棒性較強等優點，電機轉子軸上不使用機械傳感器就可以獲得較好的轉矩動態控制性能［5］。因此，DTC被認為是一種“無傳感器”的控制技術。

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在轉子坐標系下的PMSM方程表達式如下［6］：

其中，Ld、Lq為d-q軸等效電感，ψf，ψs為勵磁磁鏈和定子磁鏈，T為電磁轉矩，P為轉子磁極對數，δ為負載角。

DTC的核心思想是通過調節負載角δ的大小直接控制電磁轉矩的大小，保證在電機運行過程中定子磁鏈幅值始終為額定值。

永磁同步電機電壓表達式如下：

由于六邊形磁鏈軌跡并非理想圓形，相應的勵磁電流必然含有諧波分量，逆變器輸出端的各次諧波分量如圖3所示。

圖3　DTC控制產生的諧波分量

仿真得出兩種調制方式的線電壓總諧波畸變率（THD），FOC的THD=875.44%，DTC的THD=206.75%。由于PWM波形主要經過電動機繞組的濾波作用近似為正弦波，諧波幅值越小，總諧波畸變率越低，得到波形的正弦度就會越好。因此與FOC相比，DTC得到的波形更為理想。

1.3共模/差模干擾

圖4中R1、R2為50Ω固定電阻，VR1、VR2分別為LISN測得的直流側干擾電壓值，可得共模/差模干擾（CM/DM）電壓為：

圖4　CM/DM分離原理

2　實驗測試

2.1實驗平臺

如圖5所示為電機驅動系統電磁干擾測試平臺，圖中數字1為直流電源，數字2為干擾提取器，數字3為DC/ AC逆變器，數字4為dSPACE控制器，數字5為頻譜分析儀，數字6為PMSM，數字7為上位機，環境溫度為23℃，測試在屏蔽室中進行。

圖5　測試平臺

實驗所用永磁同步電機參數如表1所示。

表1　PMSM參數

2.2實驗結果

實驗中直流電源電壓為220V，IGBT型號為FF300R12KT4，開關頻率設置為10kHz，在150kHz～30MHz傳導干擾頻段，分別采用FOC和DTC控制策略，利用干擾提取器對EV驅動系統直流側的CM/ DM干擾進行測量，結果如圖6、圖7所示。

圖6　FOC控制下CM/DM干擾

【】【】

圖7　DTC控制下CM/DM干擾

實驗表明，考慮頻譜儀的衰減保護作用（Att 10dB），FOC控制下系統CM干擾在30～80dBuV之間，DM干擾在30～70dBuV之間；采用DTC控制后，CM干擾在整個干擾頻段降低了10dBuV，DM干擾降低了10dBuV且在3MHz頻段以上效果明顯。對比以上實驗結果可知，在整個傳導干擾頻段，采用DTC控制下系統產生的干擾低于采用FOC控制下產生的干擾。因此，可以通過改變控制策略改善系統中的電磁干擾。

3　結束語

基于DTC技術在PMSM驅動系統中的應用，分析FOC和DTC的工作原理。應用MATLAB仿真兩種控制方式下逆變器產生的諧波分量，通過在屏蔽室中搭建實驗平臺測試，驗證了仿真結果的可靠性，證明了DTC對系統傳導電磁干擾具有良好的改善作用，在工程實踐中具有重要意義。

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Research on electromagnetic interference for motor drive system based on different control strategies

ZHENG Qi-qi，DU Ming-xing，SUN De-ming，WEI Ke-xin

TM341

A

1009-0134（2016）09-0017-04

2016-06-03

天津市應用基礎與前沿技術研究計劃（14JCYBJC18400）

鄭琦琦（1992 -），女，河南信陽人，在讀碩士研究生， 研究方向為EV Driver電磁兼容及電力電子技術。