一種新穎的SPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自適應(yīng)死區(qū)補(bǔ)償方法

摘要：逆變器死區(qū)效應(yīng)將造成電機(jī)電流畸變，為提高表貼式永磁同步電機(jī)電流控制精度，提出一種自適應(yīng)死區(qū)電壓補(bǔ)償策略。該方法利用參考電流建立d、q軸死區(qū)電壓核函數(shù)，能夠在表貼式永磁同步電機(jī)電阻、電感參數(shù)未知的情況下，對d、q軸死區(qū)電壓的幅值進(jìn)行辨識，將辨識的電壓幅值與其核函數(shù)相乘得到所需補(bǔ)償?shù)乃绤^(qū)電壓。從而解決了輸死區(qū)電壓造成的相電流畸變難題。仿真結(jié)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(guān)鍵詞：表貼式永磁同步電機(jī);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);死區(qū)效應(yīng);相電流畸變;自適應(yīng)補(bǔ)償

中圖分類號： TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)（SPMSM）功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩與q軸電流成比例，被廣泛應(yīng)用于高精度伺服系統(tǒng)[1]。矢量控制技術(shù)采用級聯(lián)控制結(jié)構(gòu)，電流控制性能決定了轉(zhuǎn)矩控制精度和電機(jī)銅耗，是影響調(diào)速系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。常規(guī)PID控制簡單易行，但對系統(tǒng)參數(shù)和外界擾動(dòng)的魯棒性較差。針對這一缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[2-4]分別提出自適應(yīng)PID控制[2]、模糊PI控制[3]、模型預(yù)測控制[4]以提高電流控制精度。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于低速輕載工況時(shí)，逆變器死區(qū)效應(yīng)將造成電機(jī)相電流畸變嚴(yán)重[5]。重復(fù)控制[6]能夠有效抑制系統(tǒng)周期擾動(dòng)，但電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，該算法需要存儲一個(gè)周期電流的采樣值，這對CPU的內(nèi)存消耗較大。文獻(xiàn)[7]提出一種在線延時(shí)補(bǔ)償算法，該算法可省掉開關(guān)器件沒有必要的開通和關(guān)斷，具有輸出電流諧波含量小的有點(diǎn)，但該方法需要在線計(jì)算電機(jī)反電動(dòng)勢，電機(jī)溫度的變化會(huì)造成反電動(dòng)勢計(jì)算出現(xiàn)誤差，進(jìn)而影響補(bǔ)償精度。文獻(xiàn)[8]基于死區(qū)電壓模型，提出基于q軸電流誤差的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償算法，但文中并未對算法的全局穩(wěn)定性進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[9]提出一種新型的最小均方電流控制算法，具有低計(jì)算量和較好的參數(shù)魯棒性。

本文將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下死區(qū)電壓模型表示為核函數(shù)與不確定乘子的乘積的形式，通過設(shè)計(jì)漸進(jìn)穩(wěn)定的自適應(yīng)擾動(dòng)觀測器對未知乘子進(jìn)行在線辨識，選用參考電流指令代替實(shí)際電機(jī)相電流計(jì)算核函數(shù)，有效消除了零電流鉗位現(xiàn)象。理論和仿真分析表明該方法只需已知電阻與電感參數(shù)的界，便可實(shí)現(xiàn)對死區(qū)電壓的有效補(bǔ)償。

1 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓源逆變器死區(qū)電壓模型

3 仿真研究

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了SPMSM調(diào)速系統(tǒng)仿真平臺。其中，死區(qū)時(shí)間3μs、電流環(huán)、速度環(huán)采樣時(shí)間分別為100μs、500μs，SVPWM采樣頻率10kHz，所用電機(jī)電參數(shù)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(shí)出現(xiàn)的較明顯的零電流鉗位現(xiàn)象，這使得相電流波形畸變嚴(yán)重。通過對相電流進(jìn)行頻譜分析知，死區(qū)電壓使得相電流中出現(xiàn)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(yīng)死區(qū)電壓補(bǔ)償器，零電流鉗位現(xiàn)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(jìn)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(bǔ)償器輸出電壓如圖8所示。

4 結(jié)語

推導(dǎo)了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的死區(qū)電壓模型，并將死區(qū)電壓表示為未知慢變乘子系數(shù)與核函數(shù)相乘的形式。用參考電流指令替代真實(shí)電流計(jì)算核函數(shù)，避免零電流鉗位造成的核函數(shù)判斷誤差，提出一種在已知SPMSM電阻、電感參數(shù)的界的情況，對死區(qū)電壓的未知乘子進(jìn)行在線辨識的自適應(yīng)死區(qū)電壓補(bǔ)償器，并證明了算法漸進(jìn)穩(wěn)定性。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】