城轨牵引永磁同步电机驱动系统效率优化控制
盛义发1, 2，喻寿益1，桂卫华1，刘升学2，周文振2
(1. 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳，421001)
摘要：针对城轨牵引内置式永磁同步电机直接转矩控制(IPMSM-DTC)系统存在谐波电压电流，引起电机铁芯损耗和铜损，降低系统运行效率的问题，提出基于开关频率优化的效率优化控制策略，选择自适应滞环宽度，采用零矢量象限间交错分布的优化方法，利用功率器件开关频率，优化PWM脉冲序列中零矢量；开发基于STM32F103嵌入式微控制器的效率优化控制系统。实验结果表明：该方法可以抑制逆变器输出电压电流谐波，减小开关次数，降低开关电流，从而减少电机铁芯损耗和铜损，提高系统效率，并改善系统的动态性能。
关键词：
城轨交通；内置式永磁同步电动机；效率优化；开关频率优化控制；
中图分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)07-1997-07
Efficiency optimization control of permanent magnet
synchronous motor for urban rail traction
SHENG Yi-fa1, 2, YU Shou-yi1, GUI Wei-hua1, LIU Sheng-xue2, ZHOU Wen-zhen2
(1. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China)
Abstract: Based on the fact that harmonic voltage and harmonic current will produce core loss and copper loss to reduce the operation efficiency in the direct torque control system of interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM-DTC) for urban rail traction, efficiency optimization control strategy was presented based on switching frequency optimization. The adaptive hysteresis band value and optimized null vector distribution method were adopted to utilize the switching frequency of power device and optimize null vector to PWM. Efficiency optimization control system was implemented using a STM32F103 embedded microcontroller. The results show that the harmonic waveform of inverter is restrained, the switching times and switching current are decreased, the core loss and copper loss are reduced to increase the efficiency of IPMSM and the dynamic and static performances of the system are improved.
Key words: urban rail transit; interior permanent magnet synchronous motor; efficiency-optimization; switching frequency optimization control
对已通车运营的城轨线路初步统计，城轨交通每天每公里的总耗电量为(0.4~1.6)万kW?h，其中牵引电机和控制系统的能耗占城轨交通总电耗的绝大部 分[1]。高效率城轨牵引电机驱动系统对于节约能源和装置自身冷却具有重要的意义，对城轨牵引电机驱动系统的效率优化控制技术的研究引起了广泛关注。国内外电机效率优化控制方法大致分为2类：基于损耗模型的效率优化控制方法(LMC)和基于在线搜索技术的效率优化控制方法(SC)。Morimoto等[2-5]对精确损耗模型永磁同步电机效率优化进行了研究；Bose等[6-7]提出基于模糊逻辑搜索方法；Minh等[8]提出采用“黄金分割法”寻优算法；Lub等[9]提出一种效率优化混合搜索方法。由于电机控制系统存在电力电子设备，不可避免会产生电压电流谐波，引起电机的铁损、铜损和输出转矩脉振。如何减少谐波电流和谐波电压所引起的电机损耗，以提高电机运行效率，本文作者提出一种基于开关频率优化的城轨牵引IPMSM-DTC系统效率优化控制策略，选择自适应滞环宽度，采用零电压矢量优化方法。充分利用功率器件开关频率，优化PWM脉冲序列中零矢量，抑制逆变器的谐波电流电压的输出。并通过减小开关次数，降低开关电流，减少由谐波电流、电压引起的电机铁芯损耗和铜损，以提高系统的效率，改善系统的动态性能。
1 基于开关频率优化的城轨牵引电机驱动系统效率优化控制
1.1 IPMSM-DTC系统开关频率优化控制结构框图
IPMSM-DTC系统开关频率优化控制结构框图如图1所示。系统由转速、转矩和磁链三闭环控制组成，转速调节器采用PI调节器。图1中：
和
分别为转速给定和磁链给定，电流和电压检测值经过3 s和 2 s坐标变换，送给磁链和转矩观测器；通过位置传感器，测出转子位置信号。开关频率优化环节由自适应滞环控制器与零电压矢量优化控制器组成，选择自适应滞环宽度控制策略，采用零矢量象限间交错分布，优化PWM脉冲序列中零矢量，控制SVPWM电压型逆变器的输出。
1.2 IPMSM系统开关频率优化控制策略
1.2.1 自适应滞环宽度控制器设计
传统IPMSM-DTC系统中逆变器开关频率的磁链滞环宽度和转矩滞环宽度设定值是依据经验确定的固定值，导致电流谐波增加、负载电流纹波较大和逆变器开关损耗增多。本文选择自适应滞环宽度控制策略，设计可变化的三电平滞环宽度调制器和动态跟踪输出积分器，其控制框图如图2所示。滞环宽度设定值为
，
取决于滞环控制器中产生三电平的要求，一般设定为
[10-13]。
以电磁转矩滞环控制为例说明自适应滞环控制原理，如图3所示。图中积分器的输出f(t)对应反馈电磁转矩Te，
对应电磁转矩给定值
。
在
，电磁转矩Te的变化率p和导通时间ton分别为：
(1)
(2)
其中：t1为导通开始时间；t2为导通结束时间；
(3)
图1 IPMSM-DTC系统开关频率优化控制结构框图
Fig.1 Structure diagram of IPMSM-DTC based on switching frequency optimization control strategy
图2 自适应滞环控制框图
Fig.2 Block diagram of adaptive hysteresis band control
图3 自适应滞环控制原理图
Fig.3 Principle diagram of adaptive hysteresis band modulation
在
，电磁转矩设定值的变化率为：
(4)
由于
，即
(5)
从而可得：
(6)
(7)
式中：t2为关断开始时间；t3为关断结束时间；T为PWM周期。于是，PWM波形的角频率
为：
(8)
显然，PWM波形的角频率与滞环宽度、设定值和反馈变量的变化率有关。其中，开关频率
决定脉冲数量，为1个周期内角频率的平均值，即
(9)
若图4中参考函数
，则载波频率可以表示为[10-11]：
(10)
(11)
(12)
其中：
，为调制度。
由图4和式(12)可知：开关频率与滞环宽度和转矩的变化有关。当转矩上升或下降梯度较大时，系统将以较高的变化率来跟踪给定转矩，使得逆变器开关频率变高，从而需要较大的滞环宽度来保证逆变器的开关频率不超过功率器件的最高开关频率；当转矩上升或下降梯度变小时，系统只需较低的变化率来跟踪给定转矩，逆变器开关频率也随之降低，这时，需要较小的滞环宽度以便充分利用功率器件的开关频率及提高转矩跟踪性能。因此，滞环宽度需要不断变化才能使功率器件的开关频率得到充分利用，减小开关次数，降低开关电流，抑制逆变器的谐波电压电流输出。
图4 自适应滞环控制示意图
Fig.4 Illustration diagram of adaptive hysteresis band modulation
1.2.2 零电压矢量优化控制器设计
(1) SVPWM原理及优化策略[14]。空间电压矢量分区如图5所示，6个工作矢量将坐标平面分成6个扇区，其中，2个零矢量(111或000)垂直于坐标平面。采用在每个扇区的中线作为零矢量选用的切换点，构成了对称的2个互差180°和60°的连续不开关区域。图5中，分界线a，b和c分别为第Ⅴ，Ⅳ和Ⅵ扇区的中线。a与b之间60°扇形区域采用固定零矢量(111)，与此相邻的b与c之间区域采用固定零矢量(000)。此方案不仅使开关频率降为原来的2/3，而且使器件关断时间落在逆变器导通电流较小时刻，这样，有效减小了功率器件的开关电流，使开关损耗降低和谐波电流减小。
(2) 电压空间矢量作用时间计算。通过选择合适逆变器电压空间矢量的组合，实现对任意电压空间矢量的调制，如图6所示。其中，电压空间矢量的组合由相邻的工作电压矢量与2个零矢量组成，相应矢量作用的时间分配依据伏秒平衡与时间总和恒定原则 进行：
(13)
式中：uav为给定的电压空间矢量；uvi和uvj为uav的2个相邻工作电压矢量；uv0，uv7为零电压矢量；T1，T2，T0，T7和T分别为电压空间矢量uvi，uvj，uv0，uv7和uav的作用时间；
；
；
，
；i, j=1, …, 6 (14)
图5 空间电压矢量分区
Fig.5 Space voltage vector area
图6 空间电压矢量的合成
Fig.6 Composition of space voltage vector
在实际的空间电压脉宽调制[14]中，通常给定值为电压空间矢量在静止两相坐标系统中的2个分量，
(15)
将式(14)和(15)代入式(13)的第1个方程中，经过化简得到：
(16)
令式(16)两边的实部、虚部分别相等，可得到uvi和uvj的作用时间T1和T2：
(17)
通常认为2个零电压作用时间相同，即
(18)
为了便于编程方便，引入3个通用变量X，Y和Z来计算时间T1和T2：
(19)
在确定了扇区的编号N之后，可以用X，Y和Z计算出扇区i中uvi和uvj的作用时间t1和t2，如表1所示。
表1 扇区编号与作用时间的关系
Table 1 Relationship between sector identifier and operation time
当t1+t2＞T时，要对T1和T2进行修正，修正公式为：
(20)
将计算的T1和T2代入式(18)再计算T0和T7。
(3) 确定扇区。相位角
和扇区编号i按式(21)或式(22)确定：
(21)
或者表示为
(22)
式中：[ ]表示不超过括号内的整数。
(4) 电压空间矢量作用顺序。电压空间矢量的作用顺序主要按照开关切换次数最少的原则，其作用规律为：从零电压矢量uv0开始→电压矢量uv1, uv2或uv4以及uv3→uv5或uv6→零电压矢量uv7→以相反的方向作用。如图7所示，由图中的T1on，T2on，T3on和PWM半周期T，可以计算出T1和T2及T1on，T2on，T3on之间的关系：
(23)
图7 空间矢量调制产生的对称PWM
Fig.7 Symmetrical PWM based on space voltage vector modulation
逆变器的三相输出波形与式(23)中的T1on，T2on和T3on的作用时间之间的对应关系，如表2所示。
表2 扇区编号与三相PWM半周期脉冲宽度的关系
Table 2 Relationship between sector identifier and half period pulse width of three-phase PWM
2 基于开关频率优化的IPMSM系统效率优化控制实验
采用ST公司的STM32F103嵌入式微控制器作为主控制芯片，以C语言作为控制软件编程语言，构建了城轨牵引内置式永磁同步电机效率优化控制系统的实验平台，实验系统如图8所示。逆变器采用功率集成模块STGF7NC60HD，IPMSM参数：PN=100 kW；UN=233 V；np=4；nN=1 500 r/min；TN=100 N?m；Rs=2.85 Ω；RFe=102.5 Ω；Ld=2.5 mH；Lq=7.5 mH；
0.75 Wb；J=0.008 kg?m2。应用转矩/转速测试仪和WT230数字功率计分别测量IPMSM-DTC系统的输出功率与直流环节输入功率。实验中AD采样频率为500 Hz，每个变量采集9 000个数据，实验波形如图9所示。
对比图9中(a)和(b)可以看出：与IPMSM-DTC系统相比，采用开关频率优化控制IPMSM-DTC系统的电磁转矩得到明显的改善，其低速运行时定子电流波形也更加接近正弦波形，其谐波含量降低。
实测不同工况下的电机与逆变器的整体效率如图10所示。从图10可见：在相同负载条件下，实测500 r/min时的系统效率平均提高2.8%，而1 000 r/min时的系统效率最大提高了3.2%。可以看出，在相同负载条件下，采用效率优化控制方式可以使IPMSM-DTC系统效率提高。
图8 城轨牵引IPMSM系统效率优化控制实验平台
Fig.8 Experiment platform of efficiency optimization control system of IPMSM for rail transit
图9 IPMSM-DTC系统实验波形图
Fig.9 Experimental waveforms of IPMSM-DTC
图10 IPMSM-DTC系统效率η与转矩T2的关系
Fig.10 Relationship between efficiency of IPMSM-DTC and torque T2
3 结论
(1) 选择自适应滞环宽度控制策略，跟踪IPMSM- DTC系统转矩的变化自适应调整滞环宽度使功率器件的开关频率得到充分利用，抑制逆变器的谐波电压电流输出，降低开关电流，以提高IPMSM-DTC系统效率，改善了系统的动态性能。
(2) 采用零矢量象限间交错分布，优化了PWM脉冲序列中零矢量，减小了开关次数，降低了开关损耗，同时抑制了逆变器的谐波电压电流输出，达到了提高IPMSM-DTC系统效率的目的，减小了转矩脉动。
(3) 提出了采用自适应滞环控制与零矢量优化相结合的开关频率优化方法。该方法可以减小由谐波电流引起的铜耗和铁耗，有效地提高了系统的效率，并减小了转矩脉动，改善了系统的动态性能，满足实际应用要求，是一种改善IPMSM-DTC系统效率的实用方法。
参考文献：
[1] 施仲衡. 建设资源节约型城市轨道交通[J]. 都市快轨交通, 2008, 21(1): 1-2.
SHI Zhong-heng. Building a resource-conserving urban rail transit[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2008, 21(1): 1-2.
[2] Morimoto S, Tong Y, Takeda Y, Hirasa T. Loss minimization control of permanent magnet synchronous motor drives[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 1994, 41(5): 511-517.
[3] Kurihara K, Kubota T. Steady-state performance analysis of permanent magnet synchronous motors including space harmonics[J]. IEEE Trans on Magnetics, 1994, 30(3): 1306-1315.
[4] Urasaki N, Senjyu T, Uezato K. An accurate modeling for permanent magnet synchronous motor drives[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2000, 35(3): 387-392.
[5] Mademlis C, Kioskeridis I, Margaris N. Optimal efficiency control strategy for interior permanent magnet synchronous motor drives[J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2004, 19(4): 1-9.
[6] Bose B K. A high performance inverter-fed drives system of interior permanent magnet synchronous machine[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 1987, 24(6): 987-997.
[7] Bose B K, Patel N R, Rajashekara K. A neuro-fuzzy-based on-Line efficiency optimization control of a stator flux-oriented direct vector-controlled induction motor drive[J]. IEEE Trans on Ind Electron, 1997, 44(2): 270-273.
[8] Minh T C, Hori Y. Convergence improvement of efficiency optimization control of induction motor drives[J]. IEEE Trans on Ind Applicat, 2001, 37(6): 1746-1753.
[9] Lub, Habetler T G, Harley R G. A survey of efficiency estimation methods for in service induction motors[J]. IEEE Trans on Ind Applicat, 2006, 42(4): 924-933.
[10] Bowes S R, Grewal S. Three-level hysteresis band modulation strategy for single-phase PWM inverter[J]. IEEE Proc Electr Power Appl, 1999, 146(6): 695-706.
[11] Okumus H I, Aktas M. Adaptive hysteresis band control for constant switching frequency in DTC induction machine drives[J]. Turk J Elec Eng & Comp Sci, 2010, 18(1): 59-69.
[12] Kirshen D S, Novotny D W, Lipo T A. On-line efficiency optimization of a variable frequency induction motor drive[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 1985, 21(4): 610-616.
[13] LANG Bao-hua, MIAO Miao. Simulation and experiment study of space vector pulse width modulation[C]//Conf Rec ICEMI. Beijing, 2009: 408-412.
[14] 喻寿益, 曾国庆, 高金生, 等. 37 kW异步电机交流调速实验平台的研究[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2009, 40(4): 980-985.
YU Shou-yi, ZENG Guo-qing, GAO Jin-sheng, et al. 37 kW asynchronous motor AC speed regulation experimental platform[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2009, 40(4): 980-985.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-09-06；修回日期：2010-12-11
基金项目：国家自然科学重点基金资助项目(60634020)；国家自然科学基金资助项目(302001135)；湖南省自然科学基金资助项目(10JJ6076)；湖南省科技厅资助项目(2010GK3183)；湖南省教育厅资助项目(09C857)
通信作者：盛义发(1973- )，男，湖南衡阳人，副教授，从事电力电子与电气传动、智能控制研究；电话：13307349788；E-mail: syf871@yahoo.com.cn
