基于H橋逆變器的永磁容錯電機變環寬恒頻電流滯環的矢量控制

張榮津，夏加寬

基于H橋逆變器的永磁容錯電機變環寬恒頻電流滯環的矢量控制

張榮津，夏加寬

（沈陽工業大學，沈陽 110870）

基于H橋逆變器的電流滯環脈寬調制(CHBPWM)在控制永磁容錯電機的應用中，傳統的CHBPWM有開關頻率不固定和諧波分布復雜的缺點。針對這一問題，提出一種實時獲取電流滯環控制所需的環寬，達到恒定開關頻率的目的。首先，對三相永磁容錯電機的結構進行分析，建立其數學模型。其次，對基于H橋型逆變器開關頻率進行定性分析和理論推導，得到環寬和頻率的數學關系。然后將實時采樣、計算所獲取的周期性變化的環寬代替傳統的固定環寬。最后，仿真驗證了這種控制方法的正確可行性。

永磁容錯電機 H橋逆變器 電流滯環控制 開關頻率

0 引言

永磁容錯電機(FTPMM)及其驅動系統在故障情況下的高容錯性和高可靠性，使得其在航空航天等領域得到了廣泛研究和高度關注[1-3]。為了避免FTPMM的某一故障相的電流經過中性點耦合到其他相，FTPMM三相繞組均采用獨立H橋逆變器供電[4]。

高性能驅動系統要求能直接控制電機電流而不是確定電機端電壓的控制策略。電流滯環脈寬調制(CHBPWM)是將逆變器實際輸出電流信號與電流給定信號相比較，則通過改變逆變器的開關狀態使之減小或增大，以實現實際輸出電流對給定電流的快速跟蹤[5]。文獻[6]分析了永磁容錯電機在電壓空間矢量脈寬調制和電流滯環脈寬調制兩種控制下的優缺點。表明CHBPWM具有響應速度快、輸出電流諧波分量少等優點。但傳統的電流滯環控制中，由于滯環環寬固定不變，使逆變系統的開關頻率也隨之不固定，導致濾波器設計和逆變器開關器件選擇極為困難[7]。

為了克服這個缺點，文獻[8]基于永磁容錯電機控制系統，利用數字型電流滯環開關頻率恒定不變的特點，提出一種變占空比的電流滯環改進方法。文獻[9]提出基于CHBPWM，引入頻率閉環控制，使開關頻率恒定不變。文獻[10-11]提出了一種變環寬的電流滯環控制方法。但現在對適合于H橋型逆變器的電流滯環的永磁容錯電機調速控制方法研究較少[12]。

本文在三相FTPMM和H橋逆變電路基礎上，對基于CHBPWM的H橋型逆變器的開關頻率進行分析，提出一種動態調節環寬的方法，以達到其恒定的開關頻率。

1 FTPMM的數學模型

三相FTPMM各相繞組為集中式繞組，每相繞組各由三個獨立的H橋驅動[13]。

首先需要建立FTPMM的數學模型，在此之前需要作一些假設：

1）忽略鐵芯飽和效應。

2）忽略渦流損耗和磁滯損耗。

3）反電勢是正弦的。

4）忽略每相繞組間的互感值。

三相FTPMM的A相繞組等效電路圖如圖1所示[13]。

圖1 A相繞組電路模型

各相繞組的端電壓如下：

各相定子磁鏈方程如下：

2 H橋型逆變器基于電流滯環控制的開關頻率分析

基于三相FTPMM的單相H橋型逆變器可抽象為圖2所示模型。

圖2 電流滯環控制型H橋型逆變器等效模型

圖3 電流滯環控制的控制原理圖

開關管的開關頻率為:

3 H橋變環寬恒頻電流滯環控制

則滯環寬度為電機的A相繞組反電勢（E）的一個函數。

電機的A相繞組反電勢（E）：

代入式（9）：

式中：

如圖4所示。FTPMM的調速控制系統采用轉速外環穩速、電流內環的d=0控制方式。用一個環寬可調節的滯環比較器代替傳統的環寬固定的滯環比較器，按照式（11）計算出要維持開關頻率恒定所需要的滯環環寬，將該環寬信號輸出到變環寬電流滯環比較環節中，得到開關頻率恒定的PWM信號，驅動逆變器開關管工作，從而控制FTPMM[15]。

圖4 變環寬恒頻率滯環控制系統原理框圖

4 仿真及其結果分析

仿真參數如下：U為311 V，開關頻率10 kHz。圖5是實時環寬計算模式，根據式（11）搭建。

表1 仿真所需要的電機參數

圖5 變環寬實時計算仿真模型

根據給定的動態滯環環寬算法進行仿真，得到滯環環寬波形如圖6，可以看出環寬隨時間周期性實時變化。

圖6 滯環環寬波形圖

圖7分別給出了定滯環環寬和變環寬的仿真波形。其中為電機A相輸出電流、為驅動信號Vg。圖7a和圖8a為滯環環寬固定時仿真波形，而圖7b、圖8b為變環寬時對應的仿真波形。在輸出電流過零處，開關周期約40 μs；在輸出電流峰值處，傳統定環寬方法開關周期上升到111 μs以上，而變環寬方法開關周期仍然保持在約103 μs。圖9是基于恒頻滯環控制的FTPMM輸出電流波形的頻譜分析，可以看出諧波主要集中開關頻率附近，并且諧波分量集中在10 kHz。本文基本實現了電流滯環控制開關頻率的恒定。

圖7 輸出電流過零處開關頻率比較

圖8 輸出電流峰值處開關頻率比較

圖9 FTPMM輸出電流諧波分析圖

圖10 FTPMM轉速仿真結果

由圖10分析可得，FTPMM在0.08 s左右到達穩運行狀態，轉速基本無超調。在0.1 s左右，由于負載轉矩的變化，轉速經過0.05 s的調節，又達到了給定轉速。由圖10可得本文提出的變環寬恒定頻率滯環電流控制方法，保留了常規的固定環寬滯環電流控制響應速度快的優點。

5 結語

基于H橋逆變電路的電流滯環脈寬調制在控制FTPMM的應用中，考慮到H橋的逆變電路各繞組間電氣隔離和FTPMM各相繞組互感很小等特點，提出了實時計算逆變器輸出電壓維持開關頻率恒定所需要的滯環環寬的值，通過直接調整滯環環寬，進而控制開關頻率為恒定的設定值，保留了傳統電流滯環動態響應快的優點，進一步解決了傳統定環寬滯環電流控制開關頻率不固定的問題。通過仿真驗證了該理論分析方法的可行性和有效性。

[1] 蔣雪峰, 黃文新, 李潔, 王紹帥, 徐波. 航空用高可靠永磁容錯電機及其驅動系統的研究現狀與發展[J]. 微電機, 2020, 53(06): 108-118.

[2] 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．

[3] 郝振洋, 胡育文, 沈天珉. 永磁容錯電機的直接轉矩控制策略[J]. 電工技術學報, 2014, 29(03): 180-188.

[4] Cao W, Mecrow B C, Atkinson G J, et al. Overview of Electric Motor Technologies used for More Electric Aircraft ( MEA)[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(9): 3523-3531．

[5] 阮毅, 陳伯時. 電力拖動自動控制系統—運動控制系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011．

[6] 白洪芬, 朱景偉, 孫軍浩, 周博文. 基于H橋逆變器的永磁容錯電機電流滯環跟蹤與電壓空間矢量的脈寬調制比較研究[J]. 電機與控制應用, 2016, 43(08): 14-20.

[7] 毛惠豐, 陳增祿, 楊旭, 王兆安. 單相電壓型逆變器新穎滯環電流跟蹤控制[J]. 電力電子技術, 2011, 45(10): 15-17.

[8] 余文濤, 胡育文, 郝振洋, 黃文新, 許順.一種改進型永磁電機數字電流滯環控制方法[J]. 電氣傳動, 2010, 40(02): 29-32.

[9] 楊旭, 王兆安. 一種新的準固定頻率滯環PWM電流控制方法[J]. 電工技術學報, 2003(03): 24-28+52.

[10] 劉鋼, 盧繼平, 徐兵, 謝應昭, 尹遠, 李文斌. 計及死區效應的并網逆變器恒頻變環寬滯環電流控制研究[J]. 華東電力, 2011, 39(11): 1790-1795.

[11] 張加勝, 李浩光. 基于滯環控制的電壓型變流器開關頻率分析[J]. 電力系統及其自動化學報, 2008(02): 57-59.

[12] 王崢. 三相脈寬調制功率變換器中電流滯環控制方法的研究[J]. 電機與控制應用, 2010, 37(04): 44-48.

[13] 孫軍浩, 朱景偉, 白洪芬, 周博文, 曹科峰.基于滑模觀測器的永磁容錯電機轉子位置估計算法研究[J]. 電機與控制應用, 2016, 43(06): 1-6.

[14] Li Qiang, Jiang Xuefeng, Huang Wenxin, et al．Fault-tolerant drive system based on the redundancy bridge arm for aerospace applications[J]. IET Electric Power Applications, 2018, 12(6): 780-786．

[15] 洪峰, 單任仲, 王慧貞, 嚴仰光. 一種變環寬準恒頻電流滯環控制方法[J]. 電工技術學報, 2009, 24(01): 115-119.

Vector Control Strategy with Variable Hysteresis-Band and Constant Frequency Current Hysteresis Band based on H-bridge Inverter for Permanent Magnet Fault-tolerant Motor

Zhang Rongjin, Xia Jiakuan

(Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

TM351

A

1003-4862（2021）08-0056-05

2021-01-19

張榮津（1994-），男，碩士。研究方向：電機及其控制。E-mail: 649078122@qq.com