多相电机控制驱动技术研究综述

多相电机控制驱动技术研究综述

郭庆华

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市150040）

摘要：由于能够实现低压大功率、高可靠性、高控制灵活度等优点，多相电机在交流传动领域得到了越来越多的应用。

关键词：多相电机控制驱动脉宽调制

一、多相电机的控制方法

1.1矢量控制

在传统的三相电机矢量控制系统中，利用正交坐标变换，将自然坐标系下的物理量映射到同步旋转坐标系下，将定子相电流按励磁分量和转矩分量进行单独控制，从而实现矢量控制。多相系统与三相系统矢量控制的基本原理是非常相近的，但有两个不同点：坐标变换矩阵维数增加，逆变器控制的维度增加。对于一个m相电机驱动系统，对其相电流在进行了m×m维的广义派克坐标变换后，可以得到m个解耦电流，基波平面（d1q1）是最重要的机电能量转换平面，相应的基波平面电流id1、iq1分别作为励磁电流和转矩电流加以控制。其他的平面称为谐波平面，对于谐波平面上的电流一般有两种控制方式：谐波注入。对于集中绕组的多相电机，谐波平面也会发生机电能量转换，因此，可以通过特定比例的低次谐波注入来有效提高电机转矩密度，为了充分利用铁磁材料，一般以气隙磁通密度峰值最小为目标来确定谐波注入的比例。

1.2直接转矩控制

在文献中，H.A.Toliyat等将三相电机的直接转矩控制方法推广应用到五相电机中。由于两电平逆变器供电的五相电机系统可以产生多达个电压空间矢量，根据磁链和转矩的暂态变化选择电压矢量时更加灵活，有助于提高转矩响应、减小定子磁链和转矩脉动等。大多数已有的文献都是直接从三相电机的直接转矩控制扩展而来，即仅对基波平面的磁链矢量进行控制，很少考虑谐波平面的磁链控制问题。L.Parsa等通过综合使用基波平面和谐波平面的两个电压矢量查找表，实现了对五相永磁电机的两个平面中磁链矢量的控制，有效降低了相电流波形畸变，但基于查找表造成开关频率不固定的缺点仍然不适合大功率驱动的要求。

1.3模型预测控制

模型预测控制自20世纪70年代末出现以后，逐渐被引入到电力电子及电机驱动控制中。虽然这种控制方法的计算量较大，但是比矢量控制具有更快的转矩响应，比直接转矩控制具有更多的控制灵活度。西班牙学者F.Barrero和M.J.Duran等对多相电机的模型预测控制进行了研究，其基本思路是将三相电机的模型预测方法推广到多相，。与三相系统的一个最重要的区别是，多相系统的目标函数中需要加入谐波电流抑制等相关指标。F.Barrero等在五相感应电机上的实验结果表明，与直接转矩控制相比，虽然模型预测控制的计算量会增长1.5倍，但是多目标的最优化可以有效降低平均开关频率，并且可以使电机的输出转矩更加平滑。在近几年的研究中，H.Guzman等将模型预测控制引入矢量控制的电流环控制中，其控制框图。在五相电机发生断相、开关管失效等故障时，识别故障部位并更新容错运行下可以产生的电压矢量表，将跟踪容错控制给出的各电流的指令值作为目标，进而选取最佳的电压矢量。

二、多相逆变器的拓扑结构

2.1AC-DC-AC式

在这种形式的逆变器中，三相电压源首先经过整流变为直流电，直流电再经过逆变成为多相交流电。直流母线的存在使得输入侧与输出侧实现了解耦，便于对整流和逆变的控制。目前绝大多数的多相逆变器均采用这种拓扑结构。

2.2AC-AC式

AC-AC式又称为矩阵式，这种结构去掉了AC-DC-AC式逆变器中的直流母线，实现了直接由三相交流电到多相交流电的转换。按照有无虚拟母线，矩阵变换器又可以分为直接式和间接式。多相矩阵式逆变器省去了电容构成的储能环节，逆变器的体积和重量都能降低；然而，所需要的开关器件的数量明显上升，同时控制和调制的复杂程度大大增加。

2.3单端式

单端式指的是电机的定子绕组只有一端与逆变器相连接，因而存在定子绕组的中性点。如果只存在一个中性点，即所有定子绕组的一端连接在一起，称之为单中性点单端式，是目前应用最为广泛的多相逆变器拓扑结构。如果每一组对称的定子相绕组都有独立的中性点，比如在六相电机中两组对称三相绕组各有一个中性点，称之为多中性点单端式。多中性点式拓扑具有模块化的特点，当某相出现故障后，仅会影响到共中性点的各相，其他非共中性点的各相不会受到影响；然而这种拓扑的直流电压利用率及其电压矢量的种类和数量都要低于单中性点式，而且这种拓扑结构不适用于某些定子绕组相数为奇数、定子各相绕组对称分布的多相电机（如七相、十一相等电机）。

三、多相逆变器的PWM

3.1空间矢量PWM

电压矢量的选择和作用时间的计算变得非常复杂。早期实现SVPWM方法的思路是将三相SVPWM简单推广到多相系统，选择幅值最大的电压矢量，即处于αβ平面最外围的电压空间矢量（即最长的电压矢量），作为基本矢量，这种方法被称为最大幅值SVPWM。针对谐波电流过大的问题，Y.Zhao等提出了一种矢量空间分解的多相SVPWM。这种方法不再只选择基波平面幅值最大的矢量，而是通过选择多个电压矢量，使得在谐波平面的伏秒值为零，基波平面的伏秒值为参考值，从而实现了在实时控制转矩的同时，有效抑制了定子谐波电流。但是，电压矢量的作用时间需要实时在线求解，使得该方法的实时运算量比较大；而且，在一个开关周期内有的桥臂上的开关器件会发生多次开关，增大了开关损耗。薛山等对这种调制方法进行了改进，以抑制谐波电压为目标，预先计算区间内最近的4个电压矢量的作用时间，并确定电压矢量作用顺序，实现了实时计算的简化和开关损耗的降低。

3.2载波PWM

载波PWM是将某一相的调制波与该相的载波进行比较，从而产生该相的PWM。逆变器最终输出开关状态的组合取决于各相PWM的组合，相数m的增长并不会增加载波PWM的复杂度。因此，推广到任意m相逆变器。虽然载波PWM相比SVPWM存在直流母线电压利用率不高的问题，但是通过零序分量的注入，可以改善这一问题。在文献中，对三电平五相逆变器的SVPWM和载波PWM进行了详细的对比分析，得出的结论是：采用适当零序注入的载波PWM与SVPWM具有相同的直流母线电压利用率，以及相同的谐波抑制和共模电压抑制效果；同时，载波PWM计算量小、易于实现，更适合向任意多相系统推广使用。载波PWM的调制波中，可以注入不同的零序电压。于飞等的研究指出，当零序注入为正弦参考电压极值的均值时，直流母线电压利用率会提高，谐波性能接近于空间矢量分解SVPWM；当零序注入为交替使用的正弦参考电压极大值和极小值时，能够有效减少开关管的开关次数，降低逆变器的开关损耗。S.Karugaba等根据负载的不对称度来调整调制波中零序电压的注入，使得五相逆变器的各相输出电压也相应地产生不对称，最终实现了各相不对称负载上的供电电流保持对称[。在多相多电平载波PWM中，改变同一相中各三角载波的关系，可以实现不同的调制效果。N.Bodo等针对双直流电源开绕组式五相逆变器的三电平载波PWM，研究了载波层叠PWM、载波反相PWM、载波移相PWM，发现载波层叠PWM的输出电压THD最小；同时，在一定的载波频率下，载波反相PWM和载波移相PWM的调制效果相当。

结束语：

随着驱动功率需求的提高，多相电机驱动系统的相数和电平数会逐步提高。然而，由于多相逆变器的电压矢量数目及开关状态组合的数目随相数和电平数的增大呈指数增长，基于电压矢量选择的直接转矩控制和模型预测控制的计算量将会很大，难以在实际工程的运算控制器中实现。

参考文献

[1]李崇坚.大功率交流电机变频调速技术的研究.中国工程科学,2009,11(5):31-36.

[2]李永东.多电平变换器拓扑关系及新型拓扑电工技术学报,2011,26(1):92-99.