肖海峰 賀昱耀 喬社娟

摘 要：針對永磁同步電機矢量控制電流環(huán)內存在的固有延遲環(huán)節(jié)，如電流采樣、占空比計算、逆變器死區(qū)效應及數字控制延時等。在同步旋轉坐標系下引入電流解耦項jωrL，分析制約電流環(huán)頻率響應能力的主要遲滯因素，并對比不同電流采樣時刻與脈寬調制（pulse width modulation，PWM）占空比更新時序對電流環(huán)頻率響應的影響。提出了一種新的電流采樣時機和更新輸出PWM信號模式，在半個載波周期內優(yōu)化采樣、計算和輸出時序，減小了電流環(huán)固有延時等待時間。在載波頻率不變的前提下，提高電流環(huán)動態(tài)加速過程中電流的跟蹤性能。仿真和實驗結果與理論分析基本吻合，電流環(huán)的頻率頻帶帶寬提高了近一倍，表明該策略的有效性和正確性。

關鍵詞：永磁同步電機；頻率響應；占空比更新；脈寬調制；電流環(huán)

中圖分類號：TP 273

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）06-0107-07

Abstract：Considering the inherent delay existing in the current loop of permanent magnet synchronous motor， such as the current sampling， duty ratio calculation， inverter deadtime effect and digital control delay， etc， it introduces the current decoupling jωrL in the synchronous rotating reference frame， conducts the analysis of main hysteresis factor restricting current loop frequency response ability， and comparison of impact of different current sampling time and renewal of the PWM duty cycle on current loop frequency response. This paper proposed a new current sampling time and updated the output PWM signal model. The optimization calculation and output sequence in half a carrier cycle sampling were achieved to reduce the current loop inherent delay. The current loop current in the process of dynamic tracking performance was improved under the premise of the invariable carrier frequency. The simulation and experimental results are in accordance with the basic theoretical analysis， and the current loop bandwidth of frequency band can be nearly increased by double.

Keywords：permanent magnet synchronous motor； frequency response； duty ratio updates； pulse width modulation；current loop

0 引 言

交流永磁同步電機調速系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性主要由兩個嵌套的控制環(huán)性能決定，即電流環(huán)、速度環(huán)，而內環(huán)電流環(huán)的動態(tài)響應能力是制約整個系統(tǒng)性能的關鍵，其主要采用的控制策略為滯環(huán)控制、比例積分（proportional integral， PI）控制以及智能控制等。

在中、小功率調速系統(tǒng)中僅僅依靠改變電流控制策略很難滿足調速系統(tǒng)的動態(tài)要求[1-4]。文獻[5]分析了滯環(huán)電流控制動態(tài)響應快的特點，但該策略開關引起的諧波頻帶分布較寬，而過多的濾波環(huán)節(jié)會降低系統(tǒng)電流響應；基于PI調節(jié)器的電流控制以固定的開關頻率和較好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能等優(yōu)點，但PI調節(jié)器的自身濾波特性也將影響系統(tǒng)的頻率響應[6-8]；采用了滑模變結構等智能控制方案可以有效改進電流環(huán)動態(tài)性能，但對于電機控制系統(tǒng)內固有的遲滯無法消除[9-10]。

在電流環(huán)中還存在著諸多其他主要遲滯因素，如相電流濾波、電流采樣/保持、矢量控制算法及PWM輸出更新延時[11-12]。本文通過永磁同步電機調速系統(tǒng)連續(xù)模型，僅對PI調節(jié)器濾波特性、PWM計算、更新及電流采樣之間的時序關系進行詳細分析，針對時序中存在的延時進行優(yōu)化，提出新的電流采樣時機與PWM占空比更新時序，在半個載波周期內完成電流采樣、矢量計算和指令輸出等環(huán)節(jié)，減小了電流環(huán)固有延時等待時間，提高系統(tǒng)動態(tài)響應時間。為了保持電流采樣精確度，同時兼顧濾波效果和延時影響[13]，選取低通濾波器的截止頻率約為開關頻率的兩倍。通過采用Matlab/SIMULINK構建矢量控制系統(tǒng)模型，分別針對不同電流環(huán)工作時序模式進行仿真分析，并結合1.5 kW永磁同步電機開展了實驗驗證。

1 永磁同步電機數學模型

2 永磁同步電機電流環(huán)動態(tài)響應性能分析

在同步旋轉坐標系dq下，建立永磁同步電機交流調速系統(tǒng)電流環(huán)連續(xù)控制模型，如圖1所示。電流環(huán)的反饋滯后項和電流調節(jié)器位于同步坐標系，而觸發(fā)信號的輸出和被控對象位于靜止坐標系，通過坐標變換構成完整的閉環(huán)系統(tǒng)。為了消除交、直軸之間存在電流交叉耦合，在同步旋轉坐標系下引入電流解耦項jωrL以實現交、直軸電流獨立控制[14]。

圖8為不同參考電流給定信號的響應波形。在雙次采樣更新方式下，如圖8（a）所示，q軸階躍響應電流能更快的跟蹤參考給定，且調整時間和最大波動值都小于異步采樣更新方式。當參考給定為300 Hz正弦電流信號時，如圖8（b）所示，雙次采樣更新方式電流響應與參考電流存在0.000 15 s的延時，即相角滯后16.2°，異步采樣更新方式電流響應延時達0.000 35 s，即相角滯后37.8°。由仿真結果可知在一個載波周期內提高電流采樣頻率和PWM更新頻率能夠有效拓展電流環(huán)帶寬，改善實際轉矩的快速性。

在永磁同步電機調速系統(tǒng)實驗平臺上，驗證不同電流采樣和PWM更新模式電流響應速度，實驗所用電機額定功率為1.5 kW，極對數為4，相關實驗參數如下：電流采樣周期為2 us；PWM開關頻率為15 kHz。電機正弦給定信號頻率為166.6 Hz，如圖9（a）所示為異步模式下電機相電流響應波形，電流采樣與電流響應之間的理論延時只有1.625Tpwm，但考慮到濾波器和電機時間常數等因素，實際電流相位滯后達2 ms，且存在約為0.1 A的幅度衰減。在電流同步采樣時序下，電機相電流相位滯后減小，滯后時間約為1.5 ms，幅度衰減減小到為0.07 A，如圖9（b）。改進后的電流采樣與PWM占空比更新時序，如圖9（c），實際電流相位滯后小于1 ms，同時電流具有較小的衰減幅度，對比不同的電流采樣和PWM更新時序模式，相電流響應得到明顯的提高，拓展了調速系統(tǒng)電流環(huán)的帶寬。

5 結 論

本文改進電流采樣與PWM更新時序，即在一個載波周期內實現增加電流采樣和PWM更新次數，縮短了電流環(huán)控制周期，提高電流環(huán)動態(tài)響應能力。采用1.5 kW永磁同步電機構建矢量控制系統(tǒng)，進行了所提出控制策略有效性的驗證。仿真和實驗結果表明該方法可有效提高電流環(huán)動態(tài)響應能力，有著較大的工程價值和實際意義。

參 考 文 獻：

[1] CHOI J， KIM H， SUL S K.Design of fast response current controller using dq axis crosscoupling application to permanent magnet synchronous motor drive[C]//International Conference on Industrial Electronics， Control， and Instrumentation. Melbourne： IEEE，1996：1187.

[2] LI S H， ZONG K， LIU H X.A composite speed controller based on a secondorder model of PMSMsystem[J].Transactions of the Institute of Measurement and Control， 2011， 33（5）：522.

[3] BLANCO F B， DEGNER M W， LORENZ R D. Analysis and design of current regulators using complex vectors[J].IEEE Transactions on Industry Applications， 2000， 36（3）：817.

[4] TARCZYNSKI W，HEJMAN T，SMUGALA D.Computer controlled testing system for investigating the dynamic characteristics of contactors with AC electromagnet drives[J]. Measurement， 2003，（33）：313.

[5] 張成， 孫馳， 艾勝， 等. 控制網絡延時對SPWM逆變器輸出電壓的影響[J]. 電工技術學報， 2013，28（8）：194.

ZHANG Cheng， SUN Chi， AI Sheng， et al.Influence of control network delay on output voltage of SPWM inverter[J].Electric Machines and Control，2013，28（8）：194.

[6] JUNG J， NAM K. A dynamic decoupling control scheme for highspeed operation of induction motors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999， 46（1）：100.

[7] 李春龍，沈頌華，盧家林，等. 具有延時補償的數字控制在PWM整流器中的應用[J]. 中國電機工程學報，2007， 27（7）： 94.

LI Chunlong，SHEN Songhua，LU Jialin，et al. Digital control with compensation of delay for PWM rectifier[J].Proceedings of the CSEE， 2007， 27（7）： 94.

[8] 賀明智，許建平， 游小杰， 等.環(huán)路延時對數字峰值電壓控制開關變換器瞬態(tài)性能的影響[J].中國電機工程學報， 2009， 29（6）：1.

HE Mingzhi， XU Jianping， YOU Xiaojie， et al. Time delay effect ontransient performance of digital peak voltage controlled switching converter[J]. Proceedings of the CSEE， 2009， 29（6）：1.

[9] KAKU B， MIYASHITA I，SONE S.Switching loss minimised space vector PWM method for IGBT threelevel inverter[J]. IEEE Proceedings Electric Power Applications， 1997， 144（3）：182.

[10] JEONG S J， SONG S H. Improvement of predictive current control performance using online parameter estimation in phase controlled rectifier[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2007， 22（5）：1820.

[11] MOREL F，LINSHI X， RTIF J M，et al.A comparative study of predictive current control schemes for apermanentmagnet synchronous machine drive[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics， 2009， 56（7）：2715.

[12] BLAABJERG F， KJAER P C， RASMUSSEN P O， et al. Improved digital current control methods in switched reluctance motor drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1999， 14（3）：563.

[13] LAAKKONEN T. Distributed control architecture of power electronics buildingblockbased frequency converters[D]. Lappeenranta：Lappeenranta University of Technology， 2010.

（編輯：賈志超）