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研究背景

永磁同步电机凭借其高功率密度、高效率和高可靠性等优势被广泛应用于工业生产等领域。实时准确的三相电流反馈是交流驱动系统控制的关键，相较于传统的多电流传感器的驱动控制，使用单电流传感器实现三相电流的重构可以在降低成本的同时提高复杂工况下的电机系统的可靠性。因此，如何在PMSM控制系统中使用单电流传感器进行电流的稳定准确采样成为国内外研究的重要课题之一。

论文所解决的问题及意义

在理想情况下，模拟数字转换器可以在瞬间完成对电流的采样，然而在实际条件下，由于死区时间、开关器件的延时导通与关断时间、ADC的电流信号转换时间的存在，使得电流传感器如果想要采集稳定可靠的电流信息至少需要一段最小采样时间，否则产生电流重构死区，如图1所示。

图1  电流重构死区

本文提出将两种脉宽调制方法进行混合调制的技术，在解决死区问题的同时，能够突破传统三矢量脉宽调制无法单独实现电机高转速运行的局限性。提出的特殊点电流采样方案，能够在固定两次采样时刻及采样间隔的同时，消除第二类分时采样误差，将传统的两步电流补偿缩短为一步电流补偿，简化电流补偿过程，提高电流重构精度。

论文方法及创新点

1、改进的正三角形脉宽调制策略（IRTPWM）

针对低调制电流重构死区问题，本文在传统正三角形脉宽调制算法的基础上，在周期始端引入了零矢量，通过强制弱电压矢量作用时间为最小采样时间，在定义最优、次优测量矢量及中间电压矢量的同时对矢量作用序列进行优化，固定两次采样时刻并将采样间隔缩小为理论最小值，为后续一步电流补偿策略的提出做好基础。IRTPWM的基本原理如图2所示。

图2 IRTPWM算法的基本原理

2、混合脉宽调制策略

为了解决IRTPWM工作区域外的扇区边界重构死区问题，基于移相法提出后移相位构成测量区域的脉宽调制（BSPWM）算法。并将IRTPWM与BSPWM组合为混合脉宽调制策略，通过对参考电压矢量幅值的判断实现两种子算法的切换，两种子算法的有效区域划分如图3所示。

图3 IRTPWM与BSPWM的有效区域

3、特殊点电流采样与一步电流补偿策略

本文提出的特殊点电流采样策略，即在T_sp-T_min和T_sp两个固定的特殊采样时刻进行母线电流的采集，使采样时刻距离周期末最近，同时将两次采样间隔固定为T_min，从而消除第二类分时采样误差，最小化第一类分时采样误差。图4给出了两种子调制算法的特殊点采样策略原理图。

图4 IRTPWM与BSPWM的两特殊点采样策略

4、实验验证及结果分析：

本文的实验平台硬件装置连接如图5所示。

图5 硬件平台实物示意图

对本文提出IRTPWM与BSPWM组成的混合脉宽调制策略进行基于母线电流传感器的三相电流重构实验验证，具体包含在突加减转速与突加减负载四种动态工况下实现IRTPWM与BSPWM算法之间切换前后的相电流稳态性能实验分析，两种子算法切换过程的相电流重构情况分别如图6，7所示。

图6 电机转速突增减实现算法切换前后相电流重构的实验结果

图7 负载转矩突增减实现算法切换前后相电流重构的实验结果

从相电流波形和重构电流误差可看出，加减速切换算法前后的相电流稳态实验误差均保持在0.229A以内的较低水平。加减载切换算法前后的相电流稳态实验误差均保持在0.191A以内的较低水平。

结论

本文提出将两种脉冲宽度调制方法进行混合调制的技术，在解决死区问题的同时，突破了传统三矢量脉宽调制无法单独实现更高转速运行的局限性。同时针对传统采样策略中由于采样时刻不固定而导致的重构电流补偿算法过于复杂的问题，提出两次特殊点电流采样方案，在固定了两次采样时刻的同时，将两次采样的间隔时间也固定为最小间隔时间T_min，消除了第二类分时采样误差，从而将传统的两步电流补偿策略缩短为一步电流补偿，简化了电流补偿过程，提高了电流重构的精度。

团队介绍

中国矿业大学大功率电力传动与变流智能控制技术研究所，现有教师13人，其中教授5人，副教授7人。所长谭国俊教授，中国电工技术学会学士，获得“孙越崎能源大奖”、“最美煤炭科技工作者”、科技部“科技创新创业人才”、 “中达学者”、“全国优秀科技工作者”等荣誉。

研究所作为主力团队负责建设江苏省电力传动与自动控制工程技术研究中心，是智能采矿装备技术全国重点实验室的重要支撑团队之一。现有大功率高性能电机控制技术、大功率电力电子变流技术、矿井安全供电技术等研究方向。近年来，研究所承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、江苏省成果转化重大专项、重大企业横向课题等数十项。先后获得国家科技进步二等奖2项、三等奖1项，省部级及行业协会一等奖12项、二等奖8项。