如何分析高速低載波比下永磁同步電機電流環(huán)的穩(wěn)定性

　　（在此特別鳴謝原文作者：國敬，范濤，章回炫，邊元均，溫旭輝 ）

? ? ? ? 針對永磁同步電機在高頻運行和控制載波比低的情況下，電流環(huán)控制容易失穩(wěn)的問題，采用基于復系數(shù)傳遞函數(shù)的方法，推導了表貼式永磁同步電機電流環(huán)的復系數(shù)開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，在同步旋轉坐標系下，建立了復系數(shù)電流環(huán)控制模型，利用根軌跡法分析了電機阻抗耦合和數(shù)字控制延時對穩(wěn)定性的影響，并給出了電流環(huán)控制的失穩(wěn)條件。對比了電流反饋解耦和復系數(shù) PI 解耦兩種方法，采用一種改進的帶角度補償?shù)膹拖禂?shù) PI 控制器，解決了電流環(huán)失穩(wěn)問題。仿真和實驗證明了理論分析的正確性和有效性。

　　永 磁 同 步 電 機 （ permanent magnetic synchronous motor， PMSM）具有高效率、高功率密度、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點，在工業(yè)、家用電器、電動汽車等領域得到了越來越多的關注。在大功率牽引傳動系統(tǒng)中，受電力電子功率器件的性能約束，為降低功率器件的動態(tài)損耗，逆變器的控制開關頻率只能達到幾百 Hz；對于超高速（如渦輪壓縮機）和多極對數(shù)（如混合動力汽車）設備，其電機額定轉速可達 500Hz 以上。以上兩種情況，逆變器開關頻率與電機運行頻率之比，即載波比常低于 。高轉速下永磁同步電機阻抗耦合項影響變大，低載波比使得數(shù)字控制延時的影響變大，因此在電機高頻運行和控制器載波比低時，常出現(xiàn)電流環(huán)失控保護的現(xiàn)象。電流環(huán)的控制性能在電機控制中至關重要 。基于兩相旋轉坐標系，永磁同步電機電流環(huán)本質(zhì)上是一個雙輸入雙輸出系統(tǒng)，在典型的雙閉環(huán)控制模型中，通常將電流內(nèi)環(huán)建模為 d、q 軸解耦的兩個一階慣性環(huán)節(jié)，但在電機高頻運行和控制載波比低時，此模型存在較大誤差。為解決低載波比情況下電流環(huán)控制性能失穩(wěn)的問題，采用改進變流器拓撲來提高等效開關頻率的方法，但新拓撲增加了開關器件數(shù)量，存在高成本和高損耗的缺點；為解決高速下電機耦合項帶來的電流調(diào)節(jié)器性能不理想問題，前饋解耦、反饋解耦、內(nèi)模解耦、偏差解耦、復矢量解耦等相關解耦電流控制技術得到了廣泛的關注，前饋和反饋解耦對電機參數(shù)依賴大，無法做到完全解耦，且動態(tài)解耦性能差；基于內(nèi)模和偏差的解耦控制器對電機參數(shù)的魯棒性好，但內(nèi)模解耦控制器需要在解耦效果和響應速度之間做折中，偏差解耦控制器在進入穩(wěn)態(tài)前會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；基于神經(jīng)網(wǎng)絡的解耦方法［，需要事先尋找規(guī)則，不方便推廣使用；采用一種基于復矢量的電流環(huán)解耦控制方法，提高了電流控制的動態(tài)性能，降低了控制器對參數(shù)的敏感性，但上述文獻方法都沒有綜合考慮數(shù)字控制延時對解耦效果的影響；針對控制系統(tǒng)在數(shù)字化實現(xiàn)過程中遇到的延時問題，通過提高電流環(huán)控制帶寬減小了時間延遲，但無法完全補償；通過直接相位補償?shù)姆椒ń鉀Q控制系統(tǒng)時延問題，但需要補償?shù)南辔缓茈y獲得。