如何分析高速低載波比下永磁同步電機(jī)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(duì)永磁同步電機(jī)在高頻運(yùn)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(fù)系數(shù)傳遞函數(shù)的方法，推導(dǎo)了表貼式永磁同步電機(jī)電流環(huán)的復(fù)系數(shù)開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，建立了復(fù)系數(shù)電流環(huán)控制模型，利用根軌跡法分析了電機(jī)阻抗耦合和數(shù)字控制延時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的影響，并給出了電流環(huán)控制的失穩(wěn)條件。對(duì)比了電流反饋解耦和復(fù)系數(shù) PI 解耦兩種方法，采用一種改進(jìn)的帶角度補(bǔ)償?shù)膹?fù)系數(shù) PI 控制器，解決了電流環(huán)失穩(wěn)問題。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了理論分析的正確性和有效性。

　　永 磁 同 步 電 機(jī) （ 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(diǎn)，在工業(yè)、家用電器、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注。在大功率牽引傳動(dòng)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(dòng)態(tài)損耗，逆變器的控制開關(guān)頻率只能達(dá)到幾百 Hz；對(duì)于超高速（如渦輪壓縮機(jī)）和多極對(duì)數(shù)（如混合動(dòng)力汽車）設(shè)備，其電機(jī)額定轉(zhuǎn)速可達(dá) 500Hz 以上。以上兩種情況，逆變器開關(guān)頻率與電機(jī)運(yùn)行頻率之比，即載波比常低于 。高轉(zhuǎn)速下永磁同步電機(jī)阻抗耦合項(xiàng)影響變大，低載波比使得數(shù)字控制延時(shí)的影響變大，因此在電機(jī)高頻運(yùn)行和控制器載波比低時(shí)，常出現(xiàn)電流環(huán)失控保護(hù)的現(xiàn)象。電流環(huán)的控制性能在電機(jī)控制中至關(guān)重要 ?；趦上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系，永磁同步電機(jī)電流環(huán)本質(zhì)上是一個(gè)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(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，但在電機(jī)高頻運(yùn)行和控制載波比低時(shí)，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(jìn)變流器拓?fù)鋪硖岣叩刃ч_關(guān)頻率的方法，但新拓?fù)湓黾恿碎_關(guān)器件數(shù)量，存在高成本和高損耗的缺點(diǎn)；為解決高速下電機(jī)耦合項(xiàng)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(fù)矢量解耦等相關(guān)解耦電流控制技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，前饋和反饋解耦對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴大，無法做到完全解耦，且動(dòng)態(tài)解耦性能差；基于內(nèi)模和偏差的解耦控制器對(duì)電機(jī)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(yīng)速度之間做折中，偏差解耦控制器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)前會(huì)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)矢量的電流環(huán)解耦控制方法，提高了電流控制的動(dòng)態(tài)性能，降低了控制器對(duì)參數(shù)的敏感性，但上述文獻(xiàn)方法都沒有綜合考慮數(shù)字控制延時(shí)對(duì)解耦效果的影響；針對(duì)控制系統(tǒng)在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過程中遇到的延時(shí)問題，通過提高電流環(huán)控制帶寬減小了時(shí)間延遲，但無法完全補(bǔ)償；通過直接相位補(bǔ)償?shù)姆椒ń鉀Q控制系統(tǒng)時(shí)延問題，但需要補(bǔ)償?shù)南辔缓茈y獲得。