阅读说明：本技术 一种永磁同步电机驱动系统最小损耗控制方法 (Minimum loss control method for permanent magnet synchronous motor driving system ) 是由 郝晓红 李明彦 王子琦 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种永磁同步电机驱动系统最小损耗控制方法。永磁同步电机的供电逆变器采用不连续脉冲宽度调制策略。首先分析了一个基波周期内,基于采用DPWM调制策略的供电逆变器的开关工作状况,并定量地计算了供电逆变器损耗。随后研究了供电逆变器输出电流、电压谐波对永磁同步电机损耗的影响,并给出了附加损耗的数值计算公式。在此基础上,建立了永磁同步电机损耗模型,同时将逆变器损耗和供电逆变器输出谐波带来的附加损耗纳入系统损耗计算中,并计算出整个系统损耗最小时的定子电流用于最小损耗控制。最后建立了考虑逆变器损耗以及逆变器谐波带来的损耗的永磁同步电机最小损耗控制框图。(The invention relates to a minimum loss control method for a permanent magnet synchronous motor driving system. A power supply inverter of the permanent magnet synchronous motor adopts a discontinuous pulse width modulation strategy. Firstly, the switching working condition of the power supply inverter based on the DPWM (digital pulse width modulation) strategy in a fundamental wave period is analyzed, and the loss of the power supply inverter is calculated quantitatively. And then, the influence of the output current and voltage harmonic of the power supply inverter on the loss of the permanent magnet synchronous motor is researched, and a numerical calculation formula of the additional loss is given. On the basis, a permanent magnet synchronous motor loss model is established, meanwhile, the loss of the inverter and the additional loss caused by the harmonic wave output by the power supply inverter are brought into the system loss calculation, and the stator current when the loss of the whole system is minimum is calculated and used for minimum loss control. And finally, establishing a minimum loss control block diagram of the permanent magnet synchronous motor considering the loss of the inverter and the loss brought by harmonic waves of the inverter.)

一种永磁同步电机驱动系统最小损耗控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机系统最小损耗控制方法，属于电机控制领域，同时涉及逆变器不连续脉宽调制策略。

背景技术

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)因其具有高效率、高功率密度与高功率因数等优点在各个领域均得到了推广应用。近年来，随着永磁同步电机在工业领域的应用日益广泛，采用新材料、改进电机设计或通过最小损耗控制方法来进一步提高电机效率已经成为研究热点。电机最小损耗控制方法主要可分为基于模型的最小损耗控制方法、基于搜索算法的最小损耗控制方法两大类。

第一类，损耗模型控制是以精确的数学描述为基础，通过复杂的计算求出电机损耗最小时对应的工作点。但存在计算量大、对电机参数依赖强的缺点。

第二类，搜索技术不需要准确的函数表达式，它以保持输出功率一定为前提，即稳态时电机输出转矩和转速保持不变，不断调整d轴电流或定子磁链，同时测量输入功率。当输入功率最小时，系统效率达到最佳点，对应的励磁电流即为最佳的励磁电流。搜索技术一般存在搜索慢、收敛性差的缺点。

已有的永磁同步电机的最小损耗控制存在三个问题：1.研究的主体都为永磁同步电机，而忽略了供电逆变器的损耗；2.研究的重心都放在针对电机的控制方法上，而忽略了供电逆变器的调制策略对逆变器损耗的影响；3.忽略了供电逆变器的输出时间电流谐波给永磁同步电机带来的附加损耗。

发明内容

本发明主要针对传统的永磁同步电机最小损耗控制中未考虑逆变器损耗、逆变器输出电流时间谐波给永磁同步电机带来的附加损耗的问题。采用了DPWM调制策略替代传统SVPWM调制策略，并提出考虑逆变器损耗及其时间电流谐波带来附加损耗的永磁同步电机系统最小损耗控制策略。实施步骤如下：

步骤1：DPWM调制策略的实现及其逆变器的损耗定量计算。DPWM调制策略能实现开关器件在1/3 周期内钳位，其开关频率为SVPWM调制策略的2/3，所以DPWM开关损耗等于SVPWM开关损耗的2/3。利用注入零序分量的方法实现DPWM，并通过检测输出电压电流相位差，调整注入的零序分量，实现钳位区间跟踪电流峰值，实现逆变器损耗最小化。实现方法如附图1所示。

若不考虑线路损耗，逆变器的主要损耗由两部分构成：(1)导通状态下的通态损耗；(2)功率半导体器件开通、关断过程的开关损耗。在开关频率越低时，通态损耗所占比重越大，反之开关损耗所占比重越大。

假设逆变器三相损耗相同，建立DPWM调制下A相逆变器损耗模型。

已知IGBT两端导通压降V_ce,二极管两端导通压降V_D，流过功率器件电流为A相电流i_A(n),以及器件在一个开关周期的导通时间为

则逆变器在一个基波周期内的通态损耗为：

式中

f_z为逆变器的开关频率，由于DPWM每个基波周期有1/3个周期不动作故开关频率等于2/3倍载波频率，f为调制波频率，为输出电流滞后于输出电压的相角，又由于三相开关规律相同故总的通态损耗P_con＝3*P_conA。

逆变器开关功率损耗表达式为：P_SW＝E_SW·f，式中E_SW为一个调制周期中的开关损耗。逆变器的功率器件处于一个开关周期内切换时，会至少产生一次功率器件开通能量损耗E_on、功率器件关断能量损耗E_off以及续流二极管反向关断损耗E_rr。故利用IGBT的数据手册，可得三相开关损耗近似为：

式中N为载波比；E_on、E_off、E_rr由数据手册提供；

为基准母线电压，

为基准开关电流幅值；V_DC为实际母线电压，I_SW为实际开关电流幅值。

步骤2：逆变器输出谐波给永磁同步电机附加损耗，附加损耗包括附加铁耗和附加铜耗。附加铁耗可以在Bertotti分立铁耗计算模型的基础上进行推导。按照Bertotti分立铁耗结算模型，正弦供电时电机铁耗为：

式中P_ir为正弦供电的铁耗，等式右侧三部分分别为磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗。K_h和x为磁滞损耗系数；K_e、K_ea分别涡流损耗系数及异常损耗系数；f为磁场频率，N为线圈匝数，S为铁心截面积；u_av为电压平均值，u_rms为电压有效值。由上式可知磁滞损耗和电压平均值有关；涡流损耗和电压有效值有关。

逆变器供电时，电压基波为u₁(t)＝u_msinωt，电压瞬时值为：

对于采用DPWM调制的逆变器，在载波比足够大时，可认为其输出电压平均值和基波电压平均值相等。因此磁滞损耗与正弦供电时相等。采用DPWM调制的逆变器输出电压有效值与正弦电压供电有效值之比为：

考虑到逆变器供电时异常损耗和标准正弦下相差极小，故得到由DPWM调制的逆变器供电下电机的附加铁耗主要为增加的涡流损耗。又由上式可知涡流损耗与电压有效值的平方有关，故DPWM调制的逆变器供电的附加铁耗为：

式中，

为总谐波畸变，可以比较除基波以外的其余分量的含量多少，即输出电压相对理想正弦电压的畸变程度。

附加铜耗可以通过电流中的谐波成分加以分析。设整个导条流过的非正弦电流为i,根据Fourier级数把该电流表示为一系列不同正弦交流电流之和，即各次谐波电流之和，即是

式中I_μ、ω_μ、α_μ分别为μ次谐波电流相量的有效值、角速度、初相角。

由于电流集肤效应，高频谐波受到的阻抗会增大，故总的铜耗等于

其中，

表示μ次谐波单独流过整个导条时所产生的损耗，R_μ为μ次谐波下整个导条的交流电阻。显然不同谐波对应的交流电阻值不相等，为定量描述电阻值增加程度，定义μ次谐波对应的电阻增加系数为：

式中R_d为整个导条的直流电阻。

各次谐波下的电阻增加系数可以通过有限元法求解，故逆变器供电下的电机铜耗为

步骤3：永磁同步电机损耗模型。转子磁场定向两相旋转坐标系下考虑铁耗的表贴式永磁同步电机等效电路如附图2所示。

在正弦波供电时，永磁同步电机铁耗可以表示为

式中：Ψ_S为定子磁链幅值；ω为转子旋转电角度；λ_c为与涡流损耗相关的系数；λ_h为与磁滞损耗相关的系数。正弦波供电时永磁同步电机铜耗可以表示为

同时根据等效电路，可以推导得到

步骤4：系统最小损耗控制策略。在逆变器供电时整个系统的损耗由(1)逆变器损耗(2)附加铜耗(3) 附加铁耗(4)标准正弦供电时铜耗(5)标准正弦供电时铁耗5部分构成。所有损耗相加得到DPWM调制逆变器供电时，永磁同步电机驱动系统总的损耗P_L。令

即可得到损耗最小时的定子d轴电流转矩分量。将所求定子d轴电流给定值用于电机控制即可实现基于DPWM的永磁同步电机系统最小损耗控制。本发明采用矢量控制策略，对控制系统采用两闭环PI控制，由内层至外层依次为电流环、速度环，各控制环详细阐述如下：

电流环处于系统中两个控制环的内层，其动态响应速度最快。由于电流的控制是在同步旋转坐标系下实现的，因此首先需要检测出三相电流，并计算d、q轴电流i_d和i_q。得到d、q轴电流i_d和i_q后，将i_d与经过系统损耗控制模块获得损耗最小时定子d轴电流参考值进行比较，i_q与外环整定后的电流参考值比较，并将差值经过电流调节器作用，得到同步旋转坐标系下期望的电压U_d、U_q，再将U_d、U_q变换到三相静止坐标系下的电压值U_a、U_b和U_c。经过零序电压注入的DPWM算法调制后，将调制信号输入逆变器，由逆变器作用于永磁同步电机，完成一次电流控制。

速度环为系统的外层控制环，速度环需要根据检测到的速度值与设定值进行比较，将差值经速度调节器作用后得到期望的q轴电流，实际中，速度环的响应速度要低于电流环，设计时一般取速度环控制周期是电流环控制周期的10倍以上。因此，最小损耗控制系统如附图3所示。

附图说明

图1为注入零序分量实现DPWM框图；

图2为永磁同步电机等效电路图；

图3为永磁同步电机系统最小损耗控制框图；

具体实施方式

发明内容包括损耗定量计算和最小损耗控制两部分。各部分论述如下。

损耗定量计算：

永磁同步电机整个系统的损耗包括：(1)逆变器损耗(2)附加损耗(3)永磁同步电机损耗。各部分的定量计算如下：

步骤1：DPWM调制策略的实现及其逆变器的损耗定量计算。DPWM调制策略能实现开关器件在1/3 周期内钳位，其开关频率为SVPWM调制策略的2/3，所以DPWM开关损耗等于SVPWM开关损耗的2/3。利用注入零序分量的方法实现DPWM，并通过检测输出电压电流相位差，调整注入的零序分量，实现钳位区间跟踪电流峰值，实现逆变器损耗最小化。实现方法如附图1所示。

若不考虑线路损耗，逆变器的主要损耗由两部分构成：(1)导通状态下的通态损耗；(2)功率半导体器件开通、关断过程的开关损耗。在开关频率越低时，通态损耗所占比重越大，反之开关损耗所占比重越大。

假设逆变器三相损耗相同，建立DPWM调制下A相逆变器损耗模型。

已知IGBT两端导通压降V_ce,二极管两端导通压降V_D，流过功率器件电流为A相电流i_A(n),以及器件在一个开关周期的导通时间为则逆变器在一个基波周期内的通态损耗为：

式中

f_z为逆变器的开关频率，由于DPWM每个基波周期有1/3个周期不动作故开关频率等于2/3倍载波频率，f为调制波频率，

为输出电流滞后于输出电压的相角，又由于三相开关规律相同故总的通态损耗P_con＝3*P_conA。

逆变器开关功率损耗表达式为：P_SW＝E_SW·f，式中E_SW为一个调制周期中的开关损耗。逆变器的功率器件处于一个开关周期内切换时，会至少产生一次功率器件开通能量损耗E_on、功率器件关断能量损耗E_off以及续流二极管反向关断损耗E_rr。故利用IGBT的数据手册，可得三相开关损耗近似为：

式中N为载波比；E_on、E_off、E_rr由数据手册提供；

为基准母线电压，

为基准开关电流幅值；V_DC为实际母线电压，I_SW为实际开关电流幅值。

步骤2：逆变器输出谐波给永磁同步电机附加损耗，附加损耗包括附加铁耗和附加铜耗。附加铁耗可以在Bertotti分立铁耗计算模型的基础上进行推导。按照Bertotti分立铁耗结算模型，正弦供电时电机铁耗为：

式中P_ir为正弦供电的铁耗，等式右侧三部分分别为磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗。K_h和x为磁滞损耗系数；K_e、K_ea分别涡流损耗系数及异常损耗系数；f为磁场频率，N为线圈匝数，S为铁心截面积；u_av为电压平均值，u_rms为电压有效值。由上式可知磁滞损耗和电压平均值有关；涡流损耗和电压有效值有关。

逆变器供电时，电压基波为u₁(t)＝u_msinωt，电压瞬时值为：

对于采用DPWM调制的逆变器，在载波比足够大时，可认为其输出电压平均值和基波电压平均值相等。因此磁滞损耗与正弦供电时相等。采用DPWM调制的逆变器输出电压有效值与正弦电压供电有效值之比为：

考虑到逆变器供电时异常损耗和标准正弦下相差极小，故得到DPWM调制的逆变器供电下的附加铁耗主要为增加的涡流损耗。又由()式可知涡流损耗与电压有效值的平方有关，故DPWM调制的逆变器供电的附加铁耗为：

式中，为总谐波畸变，可以比较除基波以外的其余分量的含量多少，即输出电压相对理想正弦电压的畸变程度。

附加铜耗可以通过电流中的谐波成分加以分析。设整个导条流过的非正弦电流为i,根据Fourier级数把该电流表示为一系列不同正弦交流电流之和，即各次谐波电流之和，即是

式中I_μ、ω_μ、α_μ分别为μ次谐波电流相量的有效值、角速度、初相角。

由于集肤效应，高频谐波受到的阻抗会增大，故总的铜耗等于

其中，表示μ次谐波单独流过整个导条时所产生的损耗，R_μ为μ次谐波下整个导条的交流电阻。显然不同谐波对应的交流电阻值不相等，为定量描述电阻值增加程度，定义μ次谐波对应的电阻增加系数为：

式中R_d为整个导条的直流电阻。

各次谐波下的电阻增加系数可以通过有限元法求解，故逆变器供电下的电机铜耗为

步骤3：永磁同步电机损耗模型。转子磁场定向两相旋转坐标系下考虑铁耗的表贴式永磁同步电机等效电路如附图2所示。

在正弦波供电时，永磁同步电机铁耗可以表示为

式中：Ψ_S为定子磁链幅值；ω为转子旋转电角度；λ_c为与涡流损耗相关的系数；λ_h为与磁滞损耗相关的系数。正弦波供电时永磁同步电机铜耗可以表示为

同时根据等效电路，可以推导得到

最小损耗控制：系统最小损耗控制策略。在逆变器供电时整个系统的损耗由(1)逆变器损耗(2)附加铜耗(3)附加铁耗(4)标准正弦供电时铜耗(5)标准正弦供电时铁耗5部分构成。所有损耗相加得到DPWM 调制逆变器供电时，永磁同步电机驱动系统总的损耗P_L。令

即可得到损耗最小时的定子d轴电流转矩分量。将所求定子d轴电流参考值用于电机控制即可实现基于DPWM的永磁同步电机系统最小损耗控制。本发明采用矢量控制策略，对控制系统采用两闭环PI控制，由内层至外层依次为电流环、速度环，各控制环详细阐述如下：

电流环处于系统中两个控制环的内层，其动态响应速度最快。由于电流的控制是在同步旋转坐标系下实现的，因此首先需要检测出三相电流，并计算d、q轴电流i_d和i_q。得到d、q轴电流i_d和i_q后，将i_d与经过系统损耗控制模块获得损耗最小时定子d轴电流参考值进行比较，i_q与外环整定后的电流参考值比较，并将差值经过电流调节器作用，得到同步旋转坐标系下期望的电压U_d、U_q，再将U_d、U_q变换到三相静止坐标系下的电压值U_a、U_b和U_c。经过零序电压注入的DPWM算法调制后，将调制信号输入逆变器，由逆变器作用于永磁同步电机，完成一次电流控制。

速度环为系统的外层控制环，速度环需要根据检测到的速度值与设定值进行比较，将差值经速度调节器作用后得到期望的q轴电流，实际中，速度环的响应速度要低于电流环，设计时一般取速度环控制周期是电流环控制周期的10倍以上。因此，最小损耗控制系统如附图3所示。