NPC三電平逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

姜衛(wèi)東，楊柏旺，佘陽陽，吳志清

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009)

0 引 言

自從三電平逆變器結(jié)構(gòu)［1］被提出以來，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)無功補(bǔ)償、柔性交流輸電和高壓交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域［2］。三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)［2－3］:1)控制方式靈活;2)單個(gè)功率管上承擔(dān)的電壓是直流側(cè)電壓的一半;3)當(dāng)開關(guān)頻率相同時(shí)，輸出的電壓諧波含量低;4)開關(guān)管的開關(guān)損耗有所降低。三電平全橋逆變器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，中點(diǎn)電壓應(yīng)為母線電壓的一半;同時(shí)中點(diǎn)電壓會(huì)產(chǎn)生兩種狀況:1)中點(diǎn)電位偏移會(huì)增加功率器件的電壓應(yīng)力;2)中點(diǎn)電位出現(xiàn)低頻振蕩會(huì)增加逆變器輸出的低次諧波。

中點(diǎn)電位的平衡一般可作采用:1)多路獨(dú)立直流源［4］;2)額外的變換器向逆變器中點(diǎn)抽取或注入電荷［5］;3)將三相進(jìn)線中性點(diǎn)和電容的中點(diǎn)連接［6］;4)合理選擇矢量的順序并按照一定的規(guī)則安排矢量作用時(shí)間，該方法已被眾多文獻(xiàn)進(jìn)行廣泛的討論。而很少有論文引入零序電壓注入法和電容電壓前饋控制法。

目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制采用空間矢量控制技術(shù)，其中以氣隙磁場(chǎng)定向?yàn)橹?，而且主要采用傳統(tǒng)的兩電平逆變器供電［7］。采用NPC三電平逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，不僅逆變器輸出電壓諧波含量大幅度減少，而且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電流畸變也小。本文為了控制中點(diǎn)電位平衡，在SVPWM控制算法的基礎(chǔ)上，引入了零序電壓注入法以及電容電壓前饋控制。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的矢量控制

為了便于分析，在建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)做如下假設(shè)［8］:1)忽略定子、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，不考慮磁滯和渦流損耗;2)永磁材料內(nèi)部的磁導(dǎo)率與空氣相同，永磁體的電導(dǎo)率為零;3)三相繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)在氣隙中都是正弦分布;4)電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波;5)不考慮溫度及頻率對(duì)參數(shù)的影響。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶?、電壓矢量和電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程可寫為:

式中:ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶?Lsσ為相繞組的漏電感;Lm為等效勵(lì)磁電感;is為定子電流矢量;ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?Lsσis+Lmis為電樞磁鏈?zhǔn)噶?，與電樞磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng);us為定子電壓矢量;Rs為相繞組電阻;ωs為電動(dòng)機(jī)角頻率;Ls為同步電感，Ls=Lsσ+Lm;Te為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;p0為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù);β為轉(zhuǎn)矩角。

在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)模型，整體的控制框圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案(轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán))。檢測(cè)逆變器輸出A、B兩相相電流，經(jīng)過3S/2S變換和2S/2R變換，得到id、iq。檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，采用M/T法測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(低速時(shí)采用T法，高速時(shí)采用M法)，并作為轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋值。轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入是給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)過轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器后輸出為給定。iq電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入為給定與iq的差值;輸出為uq;id電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入為給定與id的差值;輸出為ud。

2 NPC三電平逆變器SVPWM策略

2.1 三電平逆變器的SVPWM策略

圖2 NPC三電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖

圖2為NPC三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，逆變器A相輸出電平為+，記為p;當(dāng)S2、S3導(dǎo)通時(shí)，逆變器A相輸出電平為0，記為0;當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，逆變器A相輸出電平為－，記為n。把三相電壓值代入以下電壓空間矢量的計(jì)算式:

可以得到如圖3所示的空間矢量圖。因?yàn)槊肯嚯妷河?種不同的輸出(若采用有序數(shù)組表示，例如［nnp］、［n0p］等)，每一個(gè)矢量對(duì)應(yīng)一種輸出，總共有27個(gè)矢量，其中獨(dú)立的矢量有19個(gè)，冗余矢量有8個(gè)。

圖3 三電平逆變器的矢量圖

若矢量合成按照相鄰三矢量原則，矢量合成應(yīng)滿足如下伏秒平衡原理。

表1 扇區(qū)A內(nèi)的矢量作用時(shí)間

2.2 中點(diǎn)電壓平衡策略

根據(jù)矢量的模長可以將矢量為零矢量(ZVV)、小矢量(SVV)、中矢量(MVV)和大矢量(LVV)，按照對(duì)中點(diǎn)電位的作用，小矢量又被分為上小矢量(USVV)和下小矢量(LSVV)、如表2 所示［9］。

表2 NPC三電平逆變器的矢量分類

本文通過對(duì)冗余矢量的作用時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，來控制中點(diǎn)電壓，即改善處于同一點(diǎn)的2個(gè)SVV的分配作用時(shí)間對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)控;同時(shí)引入電容電壓前饋控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

如圖1所示，檢測(cè)直流側(cè)上下電容電壓兩者差值作為中點(diǎn)電壓PI調(diào)節(jié)器的輸入，輸出即為所需注入的零序電壓分量ucom。在SVPWM調(diào)制中，ud、uq經(jīng)過反Clarke變換和反Park變換并注入零序電壓分量ucom后得到ua、ub和uc;再經(jīng)過引入電容電壓前饋的空間矢量調(diào)制，輸出PWM信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)逆變器的功率管。SVPWM調(diào)制注入了零序電壓并引入了電容電壓前饋控制，防止在中點(diǎn)電位不平衡時(shí)逆變器輸出電壓畸變，減小輸出電壓諧波。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建NPC三電平逆變器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用FreeScaleMC56F8345 DSP控制器完成矢量的作用時(shí)間計(jì)算和系統(tǒng)采樣，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分配部分采用Free-ScaleMC56F8013 DSP。

在實(shí)驗(yàn)中，逆變器的器件型號(hào)或參數(shù)如表3所示。電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表4所示。環(huán)路控制PI調(diào)節(jié)器的KP和Ki參數(shù)如表5所示。圖4為整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)物圖，電動(dòng)機(jī)通過測(cè)功機(jī)加5 N·m恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

表3 逆變器的參數(shù)

表4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)參數(shù)

表5 PI調(diào)節(jié)器的環(huán)路控制參數(shù)

圖4 控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5給出了電動(dòng)機(jī)空載1500 r/min、5 N·m負(fù)載1500 r/min、空載300 r/min和5 N·m負(fù)載300 r/min穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)直流母線電容電壓、相電流、線電壓波形。電流、電壓直接通過Agilent示波器MSOX3014A測(cè)量;轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩可用Magtrol公司的電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試儀測(cè)量。

圖5 不同材料的電機(jī)性能對(duì)比

由圖5(a)能看出，電動(dòng)機(jī)空載高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中點(diǎn)電壓不發(fā)生振蕩，只存在微小的偏移;輸出電流波形和電壓波形諧波含量低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。從圖5(b)可以看出，在電動(dòng)機(jī)帶載高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)中點(diǎn)電壓出現(xiàn)輸出基頻的3倍頻振蕩，這種情況的發(fā)生是由于在較大調(diào)制度時(shí)，三電平逆變器的固有規(guī)律造成的。所以電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，通過注入零序分量，SVPWM控制算法的輸出電流將包含有低次諧波。從圖5(c)可以看出，電動(dòng)機(jī)在空載低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中點(diǎn)電壓偏移小，能夠維持平衡;但是電流波形畸變較大。從圖5(d)可以看出，在電動(dòng)機(jī)帶載低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，中點(diǎn)電壓出現(xiàn)了高頻振蕩現(xiàn)象;這是三電平逆變器在較低的調(diào)制度時(shí)的中點(diǎn)電位出現(xiàn)的固有規(guī)律。所以電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，通過注入零序分量的SVPWM控制算法來平衡中點(diǎn)電位，將會(huì)使輸出電流包含有高次諧波，且諧波含量較大。系統(tǒng)采用電容電壓前饋和注入零序電壓分量的SVPWM控制算法，有效地控制了中點(diǎn)電壓的偏移，達(dá)到電動(dòng)機(jī)可靠調(diào)速的性能。

4 結(jié) 語

本文分析了三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量方程，并建立其矢量控制系統(tǒng)。分析了三電平逆變器SVPWM控制算法的空間矢量，在此基礎(chǔ)上，提出注入零序分量和電容電壓前饋的控制算法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該改進(jìn)算法的可行性，可以看出該算法有效地控制了中點(diǎn)電位的平衡;系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了控制目的。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較高，逆變器的調(diào)制度較高，逆變器輸出線電壓為典型的三電平波形，如圖5(b)所示。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)較低，逆變器的調(diào)制度較低，逆變器輸出線電壓類似于兩電平的波形，如圖5(d)所示。

［1］Nabea A，Takahashi I，Akag H I.A new neutral－ point－ clamped PWM inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1981，IA －17(5):518－523.

［2］Liu Fengjun.Multi－ level inverter and its application［M］.Machinery Industry Press，2007:2 －5，8 －9.

［3］Jiang Weidong，Wang Qunjing，Shi Xiao － feng，et al.Low Frequency oscillation of neutral Point voltage of neutral－pointclamped three － level VSI under SVPWM control［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28:1 －2.

［4］Yazdani A，Iravani R A.Generalized state － space averaged model of the three－level NPC converter for systematic DC－voltagebalancer and current－ controller design［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2005，20(2):1105 － 1114.

［5］Lee D H，Lee S R，Lee F C.An analysis of midpoint balance for the neutral－ point－ clamped three － level VSI［C］//IEEE Power E-lectronics Specialists Conference.Fukuoka，1998，1:193 －199.

［6］Lim S K，Kim J H，Nam K.A DC － link voltage balancing algorithm for 3 － level converter using the zero sequence current［C］//IEEE Power Electronics Specialists Conference.Charleston，1999，2:1083－1088.

［7］Qiao Mingzhong，Zhang Xiaofeng，Li Kuishu.The direct torque control of synchronous motor based on the three － level inverter［J］.Journal of Wuhan University of Technology(Tran sportation Science＆ Engineer ing)，2006，30(1):1－2.

［8］Wang Chengyuan，Xia Jiakuan，Sun Yibiao.Modern control technlgue of electric machines［M］.China machine press.2008:107 －110.

［9］Jiang Weidong，Wang Qunjing，Chen Quan，et al.SVPWM algorithm for NPC three－level VSI considering unbalance neutral point voltage［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28:2－3.