矩阵变换器-永磁同步电机矢量 控制系统的新型电流控制方法

2007年 3 月电工技术学报Vol.22 No.3 第22卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2007矩阵变换器−永磁同步电机矢量控制系统的新型电流控制方法葛红娟周波苏国庆张绍（南京航空航天大学自动化学院南京 210016）摘要分析了基于电流滞环控制的矩阵变换器−永磁同步电机（MC-PMSM）系统的开关组合状态和存在的缺点：系统侧电流存在较大的5次和7次谐波分量。

提出了一种改进电流控制方法，该方法采用电机电流双环控制，得出三相电机电流的6个电流控制信号，并将输入三相电压分成12个相区，根据电流控制信号和相区号的不同，选择不同的输入相与输出相连接，确定出矩阵变换器开关组合状态。

在该方法中，每个输入相在整个周期内都参与调制，降低了系统输入电流的谐波分量，提高了系统输入电流的正弦度。

关键词：矩阵变换器永磁同步电机谐波分量电流双环控制矢量控制中图分类号：TM301Novel Current Modulation Approach for the Vector Control ofMC-PMSM SystemGe Hongjuan Zhou Bo Su Guoqing Zhang Shao（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China）Abstract An improved current hysteresis-loop modulation approach for the vector control of matrix converter-permanent magnet synchronous motor (MC-PMSM) system is presented in this paper.With the approach, the three-phase input voltages are divided into twelve sections and three pairs of current control signals are deduced by comparing the reference values and the measured values of the output currents based on double current loops. Then, the states of the switches in the MC-PMSM system are determined according to the section number of the input voltages and one of the three pairs of current control signals, so that the modulation of every input voltage phase hold in the whole periods.Hence the 5th harmonic, the 7th harmonic, and the total harmonic distortion (THD) of the input currents, which are relative large when the based current hysteresis-loop modulation method is adopted in the system, are obviously reduced and the input currents of the system become more sinusoidal.Keywords：Matrix converter, permanent magnet synchronous motor, harmonic components, double current loop modulation, vector control1引言矩阵变换器可以实现输入电流和输出电压波形的正弦化，输入功率因数可调，没有大体积的直流环节，因此，在交流传动系统中蕴藏着良好的应用前景。

永磁同步电机（PMSM）具有体积小、重量轻、运行可靠等优点，并且采用矢量控制技术可使其调速性能、动静态特性接近直流电机的性能指标。

将永磁同步电机与矩阵变换器相结合成为现代传动系统及伺服控制系统的优选方案。

国内外关于矩阵变换器−永磁同步电机（MC-PMSM）系统方面的研究不多[1-17]。

爱尔及利亚学者Sard Bouchiker于1998年最先将AC-AC矩阵变换器用于永磁同步电机矢量控制[6]。

他将矩阵变换器的输入、输出变换到d、q坐标系中，并推导得出了用d、q坐标系参数表示的矩阵变换器等效电收稿日期 2006-05-11 改稿日期 2006-11-1022电 工 技 术 学 报 2007年3月路及方程。

利用对d 、q 轴的分别控制达到电机磁通和转矩独立控制的目的，实现了电机的矢量控制。

从2001年开始，台湾学者Der-Fa Chen 和Tian-Hua Liu 等对矩阵变换器驱动的永磁同步电机矢量控制系统进行了一系列研究，并多次在国际会议上交流其研究成果[1, 4, 8-13]，为矩阵变换器用于永磁同步电机的驱动提供了参考依据。

芬兰学者Eskola M.于2004年介绍了采用高频电压信号注入法估计矩阵变换器−永磁同步电机系统转子位置的方法，并验证了该方法的可行性[7]。

西班牙学者Antoni Arias 和英国学者Greg Asher 也对采用高频电压注入法估计无传感器永磁同步电机转子位置进行了分析和研究[14]。

有关学者还研究了矩阵变换器驱动永磁同步电机用于功率较小、且对体积与重量等有特殊要求的场合[3，5]。

相对而言，我国大陆对矩阵变换器实现永磁同步电机矢量控制系统的研究较少[2, 15-17]。

文献[15]研究了基于电机电流滞环控制策略的MC-PMSM 矢量控制系统的可行性，并进行了仿真分析。

以上关于MC-PMSM 矢量控制系统研究的文献中，大部分文献[2-8, 10-14, 16, 17]是利用矩阵变换器最通用的双空间矢量调制策略实现PMSM 的矢量控制，文献[1, 9]所描述的系统对电压进行分层，并利用神经网络在线自学习技术确定矩阵变换器的开关状态组合。

以上调制方式均为电压调制，电流滞环控制是逆变器−电机控制系统常用的电流调制方法，该方法对电机控制而言更为直接有效，实现也比较方便。

但是，如果矩阵变换器采用这种方法，会使每个输入相在一个周期内有1/3的时间（120°）不参与调制，使电源侧电流存在较大的5次和7次谐波[15]，导致矩阵变换器能够实现电源侧电流波形正弦化的这一重要优点不能得到充分体现。

为此，本文提出了一种改进电流滞环控制策略，克服了一般电流滞环控制方法在MC-PMSM 系统中应用的缺陷，使系统输入电流的正弦度得到改善。

2 电流滞环控制MC-PMSM 系统及其缺点2.1 系统工作原理图1所示为电流滞环控制MC-PMSM 系统原理图。

其工作原理为：速度给定信号ω*与速度反馈信号ω 相比较，误差信号控制速度调节器ST ，调节器输出作为电机交轴电流给定值*qi ；转子磁场定向时，直轴电流给定值*d i =0。

根据矢量控制要求，经 过Park 变换得到期望的三相电流*A i 、*B i 、*C i ；将电流*A i 、*B i 、*C i 与实测电流i A 、i B 、i C 进行比较，得到三个电流控制信号H A 、H B 、H C ；同时，三相输入电压被分为6个输入电压状态区间（区间1～6），如图2所示。

矩阵变换器的开关状态由实时输入电压状态和电流控制信号共同确定[15]，从而使矩阵变换器的实际电流实时跟踪给定电流，实现系统的转速、电流双闭环控制。

图1 电流滞环控制MC-PMSM 系统原理图 Fig.1 Scheme of MC-PMSM system based on currenthysteresis-loop modulation1234655u A t35B u C图2 电流滞环控制输入电压状态图 Fig.2 Input voltage states for current modulationapproach在使用基本电流滞环控制策略确定MC 的开关状态时，任何时刻输出相只与输入的最大值相和最小值相连接[15]，因此，无论输入电压处于哪个状态区间，三个输入相中仅仅只有最大电压相和最小电压相被使用，而中间相总是不被使用，从而导致每个输入相在一个周期内有1/3（120°）未被使用。

以a 相为例，它在电压状态区间1、状态区间2、状态区间4和状态区间6中参与调制，在电压状态区间3和状态区间5中不参与调制[15]，如图2所示。

这样，经过调制后的电流在一个周期内有1/3个周期等于0，2/3个周期为sin ω t 的高频调制，为了便ua u bu c第22卷第3期葛红娟等 矩阵变换器−永磁同步电机矢量控制系统的新型电流控制方法 23于分析低次谐波分量，暂不计入高次谐波，则电流可表示为00 /6sin /6 5/6() 05/6 7/6sin 7/6 11/6 011/6 2t t t f t t t t t ωωπ⎧⎪ππ⎪⎪=ππ⎨⎪ππ⎪ππ⎪⎩ （1）上式表示的函数经过傅里叶分解可知有奇次谐波分量存在。

电机负载的三相星形连接可以消除3次及其倍数次谐波分量，但仍然存在较大的5次和7次谐波分量。

b 相和c 相的情况与a 相似。

2.2 仿真和实验结果利用Matlab 仿真软件对MC-PMSM 系统进行建模仿真，并设计制作了原理样机进行实验研究。

当电机转速1500r/min 时，仿真得到电机空载和满载时系统输入电流的总谐波含量THD 分别为14.7%和14.1%；5次谐波分别为12.5%和11.8%；7次谐波分别为6.7%和5.9%。

图3给出了满载、电机转速1500r/min 时，系统输入量的仿真结果，图中依次分别为系统的输入电压波形、输入电流滤波前和滤波后的波形（输入滤波器的截止频率为650Hz ）。

图3 满载运行时输入量仿真结果（1500r/min ） Fig.3 Simulation results of the system with full-load图4为电机满载、电机转速为1500r/min 时系统的输入电压和输入电流（滤波前）实验波形；仿真和实验所使用的电机参数为：P N =420VA ，U N =105V ，n N =1500r/min ，T N =2.67N ·m ，R =6.18Ω，L φ =17mH ，电流环宽∆I =0.06A 。