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如何分析高速低载波比下永磁同步电机电流环的稳定性
许成俊
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（在此特别鸣谢原文作者：国敬，范涛，章回炫，边元均，温旭辉 ）
针对永磁同步电机在高频运行和控制载波比低的情况下，电流环控制容易失稳的问题，采用基于复系数传递函数的方法，推导了表贴式永磁同步电机电流环的复系数开环和闭环传递函数，在同步旋转坐标系下，建立了复系数电流环控制模型，利用根轨迹法分析了电机阻抗耦合和数字控制延时对稳定性的影响，并给出了电流环控制的失稳条件。对比了电流反馈解耦和复系数 PI 解耦两种方法，采用一种改进的带角度补偿的复系数 PI 控制器，解决了电流环失稳问题。仿真和实验证明了理论分析的正确性和有效性。
永 磁 同 步 电 机 （ permanent magnetic synchronous motor， PMSM）具有高效率、高功率密度、宽调速范围等优点，在工业、家用电器、电动汽车等领域得到了越来越多的关注。在大功率牵引传动系统中，受电力电子功率器件的性能约束，为降低功率器件的动态损耗，逆变器的控制开关频率只能达到几百 Hz；对于超高速（如涡轮压缩机）和多极对数（如混合动力汽车）设备，其电机额定转速可达 500Hz 以上。以上两种情况，逆变器开关频率与电机运行频率之比，即载波比常低于 。高转速下永磁同步电机阻抗耦合项影响变大，低载波比使得数字控制延时的影响变大，因此在电机高频运行和控制器载波比低时，常出现电流环失控保护的现象。电流环的控制性能在电机控制中至关重要 。基于两相旋转坐标系，永磁同步电机电流环本质上是一个双输入双输出系统，在典型的双闭环控制模型中，通常将电流内环建模为 d、q 轴解耦的两个一阶惯性环节，但在电机高频运行和控制载波比低时，此模型存在较大误差。为解决低载波比情况下电流环控制性能失稳的问题，采用改进变流器拓扑来提高等效开关频率的方法，但新拓扑增加了开关器件数量，存在高成本和高损耗的缺点；为解决高速下电机耦合项带来的电流调节器性能不理想问题，前馈解耦、反馈解耦、内模解耦、偏差解耦、复矢量解耦等相关解耦电流控制技术得到了广泛的关注，前馈和反馈解耦对电机参数依赖大，无法做到完全解耦，且动态解耦性能差；基于内模和偏差的解耦控制器对电机参数的鲁棒性好，但内模解耦控制器需要在解耦效果和响应速度之间做折中，偏差解耦控制器在进入稳态前会出现震荡现象；基于神经网络的解耦方法［，需要事先寻找规则，不方便推广使用；采用一种基于复矢量的电流环解耦控制方法，提高了电流控制的动态性能，降低了控制器对参数的敏感性，但上述文献方法都没有综合考虑数字控制延时对解耦效果的影响；针对控制系统在数字化实现过程中遇到的延时问题，通过提高电流环控制带宽减小了时间延迟，但无法完全补偿；通过直接相位补偿的方法解决控制系统时延问题，但需要补偿的相位很难获得。
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zh_hust
2020-11-09
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