基于H桥逆变器的永磁容错电机变环宽恒频电流滞环的矢量控制

张荣津，夏加宽

基于H桥逆变器的永磁容错电机变环宽恒频电流滞环的矢量控制

张荣津，夏加宽

（沈阳工业大学，沈阳 110870）

基于H桥逆变器的电流滞环脉宽调制(CHBPWM)在控制永磁容错电机的应用中，传统的CHBPWM有开关频率不固定和谐波分布复杂的缺点。针对这一问题，提出一种实时获取电流滞环控制所需的环宽，达到恒定开关频率的目的。首先，对三相永磁容错电机的结构进行分析，建立其数学模型。其次，对基于H桥型逆变器开关频率进行定性分析和理论推导，得到环宽和频率的数学关系。然后将实时采样、计算所获取的周期性变化的环宽代替传统的固定环宽。最后，仿真验证了这种控制方法的正确可行性。

永磁容错电机 H桥逆变器 电流滞环控制 开关频率

0 引言

永磁容错电机(FTPMM)及其驱动系统在故障情况下的高容错性和高可靠性，使得其在航空航天等领域得到了广泛研究和高度关注[1-3]。为了避免FTPMM的某一故障相的电流经过中性点耦合到其他相，FTPMM三相绕组均采用独立H桥逆变器供电[4]。

高性能驱动系统要求能直接控制电机电流而不是确定电机端电压的控制策略。电流滞环脉宽调制(CHBPWM)是将逆变器实际输出电流信号与电流给定信号相比较，则通过改变逆变器的开关状态使之减小或增大，以实现实际输出电流对给定电流的快速跟踪[5]。文献[6]分析了永磁容错电机在电压空间矢量脉宽调制和电流滞环脉宽调制两种控制下的优缺点。表明CHBPWM具有响应速度快、输出电流谐波分量少等优点。但传统的电流滞环控制中，由于滞环环宽固定不变，使逆变系统的开关频率也随之不固定，导致滤波器设计和逆变器开关器件选择极为困难[7]。

为了克服这个缺点，文献[8]基于永磁容错电机控制系统，利用数字型电流滞环开关频率恒定不变的特点，提出一种变占空比的电流滞环改进方法。文献[9]提出基于CHBPWM，引入频率闭环控制，使开关频率恒定不变。文献[10-11]提出了一种变环宽的电流滞环控制方法。但现在对适合于H桥型逆变器的电流滞环的永磁容错电机调速控制方法研究较少[12]。

本文在三相FTPMM和H桥逆变电路基础上，对基于CHBPWM的H桥型逆变器的开关频率进行分析，提出一种动态调节环宽的方法，以达到其恒定的开关频率。

1 FTPMM的数学模型

三相FTPMM各相绕组为集中式绕组，每相绕组各由三个独立的H桥驱动[13]。

首先需要建立FTPMM的数学模型，在此之前需要作一些假设：

1）忽略铁芯饱和效应。

2）忽略涡流损耗和磁滞损耗。

3）反电势是正弦的。

4）忽略每相绕组间的互感值。

三相FTPMM的A相绕组等效电路图如图1所示[13]。

图1 A相绕组电路模型

各相绕组的端电压如下：

各相定子磁链方程如下：

2 H桥型逆变器基于电流滞环控制的开关频率分析

基于三相FTPMM的单相H桥型逆变器可抽象为图2所示模型。

图2 电流滞环控制型H桥型逆变器等效模型

图3 电流滞环控制的控制原理图

开关管的开关频率为:

3 H桥变环宽恒频电流滞环控制

则滞环宽度为电机的A相绕组反电势（E）的一个函数。

电机的A相绕组反电势（E）：

代入式（9）：

式中：

如图4所示。FTPMM的调速控制系统采用转速外环稳速、电流内环的d=0控制方式。用一个环宽可调节的滞环比较器代替传统的环宽固定的滞环比较器，按照式（11）计算出要维持开关频率恒定所需要的滞环环宽，将该环宽信号输出到变环宽电流滞环比较环节中，得到开关频率恒定的PWM信号，驱动逆变器开关管工作，从而控制FTPMM[15]。

图4 变环宽恒频率滞环控制系统原理框图

4 仿真及其结果分析

仿真参数如下：U为311 V，开关频率10 kHz。图5是实时环宽计算模式，根据式（11）搭建。

表1 仿真所需要的电机参数

图5 变环宽实时计算仿真模型

根据给定的动态滞环环宽算法进行仿真，得到滞环环宽波形如图6，可以看出环宽随时间周期性实时变化。

图6 滞环环宽波形图

图7分别给出了定滞环环宽和变环宽的仿真波形。其中为电机A相输出电流、为驱动信号Vg。图7a和图8a为滞环环宽固定时仿真波形，而图7b、图8b为变环宽时对应的仿真波形。在输出电流过零处，开关周期约40 µs；在输出电流峰值处，传统定环宽方法开关周期上升到111 µs以上，而变环宽方法开关周期仍然保持在约103 µs。图9是基于恒频滞环控制的FTPMM输出电流波形的频谱分析，可以看出谐波主要集中开关频率附近，并且谐波分量集中在10 kHz。本文基本实现了电流滞环控制开关频率的恒定。

图7 输出电流过零处开关频率比较

图8 输出电流峰值处开关频率比较

图9 FTPMM输出电流谐波分析图

图10 FTPMM转速仿真结果

由图10分析可得，FTPMM在0.08 s左右到达稳运行状态，转速基本无超调。在0.1 s左右，由于负载转矩的变化，转速经过0.05 s的调节，又达到了给定转速。由图10可得本文提出的变环宽恒定频率滞环电流控制方法，保留了常规的固定环宽滞环电流控制响应速度快的优点。

5 结语

基于H桥逆变电路的电流滞环脉宽调制在控制FTPMM的应用中，考虑到H桥的逆变电路各绕组间电气隔离和FTPMM各相绕组互感很小等特点，提出了实时计算逆变器输出电压维持开关频率恒定所需要的滞环环宽的值，通过直接调整滞环环宽，进而控制开关频率为恒定的设定值，保留了传统电流滞环动态响应快的优点，进一步解决了传统定环宽滞环电流控制开关频率不固定的问题。通过仿真验证了该理论分析方法的可行性和有效性。

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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

张荣津（1994-），男，硕士。研究方向：电机及其控制。E-mail: 649078122@qq.com