多相电机统一SVPWM调制及无速度传感器控制实现方法研究

李贵彬　李永东　郑泽东　彭忠　刘自程

摘 要：針对多相电机统一SVPWM调制实现问题及多相电机全阶观测器无速度传感器矢量控制的实现问题，在传统三相电机零序电压注入SPWM实现SVPWM调制的基础上，推导了多相电机统一SVPWM实现方法和多相电机矢量控制统一坐标变换理论及基于全阶观测器的无速度传感器矢量控制理论。以五相异步电机为例，研究了零序电压注入方法下的SVPWM电压利用率提高百分比、五相异步电机基于全阶观测器的无速度传感器矢量控制，并在五相异步电机实验平台上进行了实验验证。实验结果表明提出的统一SVPWM调制方法可以提高电压利用率、优化谐波性能。统一多相电机全阶观测器无速度传感器矢量控制可以实现多相电机无传感器控制、减小系统成本、提高系统可靠性。

关键词：统一SVPWM；全阶观测器；无速度传感器；电压利用率；多相电机

中图分类号：TM 346+.2

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）01-0061-11

0 引 言

多相电机具有功率密度大、转矩脉动小、可靠性高、容错能力强等优点，其优越的性能使得多相电机被应用于冶金、轧钢、机车牵引、船舶推进等场合[1-2]。

近年来多相电机变换器控制技术得到了广泛的研究，文献[3-4]对多相电机的容错运行过程中转矩脉动的减小展开了研究，提出了通过抑制电流脉动的方法对转矩脉动进行抑制。文献[5]对多相电机交流驱动下母线电压利用率的极限进行了讨论，提出了多相电机在传统调制方法下母线电压利用率的极限点；但并没有详细的讨论提高母线电压利用率的具体方法。文献[6]对开绕组五相电机共模电压的抑制方法提出了抑制策略，仿真和实验均表明了提出方法的有效性。文献[7]对五相电机进行了基于反电动势方法的无速度传感器矢量控制的研究，取得了并不理想的效果。文献[8-11]从五相电机容错策略进行研究，提出了减小电流脉动、提高转矩脉动频率、减小转矩脉动幅值的容错策略，取得了良好的效果，但算法复杂，在控制频率较高时智能芯片无法实现。文献[12-13]分别针对九相永磁同步电机和六相永磁同步电机故障情况下的磁通切换进行了分析研究，分别提出了一种有效抑制磁通变化的控制策略，减小了转矩脉动。文献[14]针对六相异步电机的电流预测控制策略进行了研究，电流预测控制优化了电流波形，减小了电流谐波，大大减小了转矩脉动，取得了良好的效果。

本文提出了一种针对任意相电机提高电压利用率的统一SVPWM谐波注入策略，对注入谐波的幅值和频率进行了理论推导。提出了多相异步电机统一无速度传感器矢量控制方法，该方法对任意相异步电机均可使用，对任意相异步电机无速度传感器全阶观测器方法进行了推导，详细说明了无速度传感器全阶观测器方法在异步多相电机中的统一实现过程。以五相电机为例对统一SVPWM无速度传感器矢量控制进行了实验验证。

1 统一SVPWM实现

多相电机按绕组位置关系分类可以分为对称多相电机和非对称多相电机，非对称多相电机指相邻独立出线端所对应的定子相绕组之间，在一个极距内相互间隔的电角度不同，如图1（a）所示。同理，对称多相电机指在一个极距内相互间隔的电角度相同，如图1（b）所示。在统一SVPWM实现过程中将电机绕组分为3的倍数相和非3的倍数相两种。对于统一SVPWM的实现，多相电机绕组分布是否对称对实现方式并无影响。下面针对不同相数的多相电机逐一讨论。

图15是统一SVPWM作用前后的电流频谱图，统一SVPWM方法施加前和统一SVPWM方法施加前后各次谐波幅值基本无变化，统一SVPWM施加后的总谐波含量略有减小。统一SVPWM方法提高了电压利用率的同时也减少了五相电机电流中的总谐波含量。

4 结 论

针对多相电机提出的统一SVPWM实现方法可以提高电压利用率、减小THD含量。该实现方法可以针对任意相（相数大于3）电机实现SVPWM调制。提出的多相异步电机全阶观测器矢量控制方法可以实现任意相（相数大于3）异步电机的无速度传感器矢量控制。提出的方法将多相电机下的SVPWM和全阶观测器无速度传感器矢量控制算法进行了推广，具有一定的理论意义和实际的工程应用价值。

参 考 文 献：

[1] DURA X， N M J， PRIETO J， et al. Space vector PWM with reduced commonmode voltage for fivephase induction motor drives operating in overmodulation zone[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（8）：4030.

[2] SAID N A M， FLETCHER J E， DUTTA R， et al. Analysis of common mode voltage using carrierbased method for dualinverter openend winding[C]//Power Engineering Conference （AUPEC）， 2014 Australasian Universities. IEEE， 2014： 1-6.

[3] H X，H A Toliyat，L J Petersen.Resilient current control of fivephase induction motor under asymmetrical fault conditions[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition， 2002. APEC 2002. Seventeenth Annual IEEE，2002.

[4] ZHANG Xiaofeng，ZHANG Chengsheng，QIAO Mingzhong，et al. Analysis and Experiment of Multiphase Induction Motor Drives for Electrical Propulsion：Electrical Machines and Systems[C]. ICEMS 2008. International Conference on， 2008.

[5] KLIMA J， CHOMAT M， SCHREIER L. Analytical Investigation of Voltage Source Inverter Fed Induction Motor Drive Under Fault Conditions：Industrial Technology[C]. IEEE ICIT′02. 2002 IEEE International Conference on， 2002.

[6] BODO N， JONES M， LEVI E.A space vector PWM with commonmode voltage elimination for openend winding fivephase drives with a single DC supply[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61（5）：2197.

[7] Akeyo O M. Analysis and Simulation of Photovoltaic Systems Incorporating Battery Energy Storage[J]. 2017.

[8] 王明義. 五相永磁同步电动机驱动控制系统及容错运行研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2011.

[9] 赵品志. 五相永磁同步电动机驱动控制系统关键技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2011.

[10] 赵品志， 杨贵杰， 李勇. 三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化[J]. 中国电机工程学报， 2010，30（33）：71.

ZHAOPinZhi， YANG Guijie， LI Yong. Torque density optimization for fivephase PMSM with third harmonic injection[J]. Proceedings of the CSEE. 2010，30（33）：71.

[11] 赵品志， 杨贵杰， 李勇. 五相永磁同步电动机单相开路故障的容错控制策略[J]. 中国电机工程学报，2011，31（24）：68.

ZHAO Pinzhi， YANG Guijie， LI Yong. Faulttolerant control strategy for fivephase permanent magnetic synchronous motor under single phase opencircuit fault condition[J]. Proceedings of the CSEE， 2011，31（24）：68.

[12] G Hongwei， S Jianyong， Y Guijie， et al. The Design of SVPWM IP Core for FivePhase Voltage Source Inverter： Power Electronics and Motion Control Conference （IPEMC）， 2012 7th International， Harbin， 2012[C].2012，2-5 June 2012.

[13] 李贵彬， 李永东， 郑泽东， 等. 基于SHEPWM调制的电力机车全速度运行策略及切换方法研究[J]. 电机与控制学报， 2017，21（4）：17.

LI Guibin， LI Yongdong， ZHENG Zedong， et al. Research on the electric locomotive running and cutover methods using shepwm in whole speed range[J]. Electric Machines and Control， 2017，21（4）：17.

（编辑：张 楠）