关键词：永磁同步电机；MTPA；弱磁控制；多模式脉宽调制

Abstract: in accordance with the need of high-speed train permanent magnet synchronous motor with wide speed range and the problem of large torque ripple, the maximum torque current ratio (MTPA) control and weak magnet control combined control strategy to control traction converter, analysis the voltage limit ellipse with current limit circle under the restrictions of the current track of the MTPA control and weak magnet control strategy will be the basis of traditional asynchronous SVPWM modulation and multiple mode pulse width modulation technology comparing simulation, simulation results show that the multiple mode pulse width modulation technology in high-speed train running full speed range control stability, motor response speed, wide speed range and low torque ripple.

Key words: Permanent magnet synchronous motor; MTPA; Weak magnetic control; Multimode pulse width modulation

1  引言

永磁同步电机（PMSM）具有体积小、功率密度高、重量轻、效率高、损耗小等诸多优点，引起了电力牵引系统开发人员的高度关注^[1]。目前永磁同步电机控制技术已成为第三代轨道交通牵引系统的关键技术，在国外的轨道交通领域已经进行了大量的试验并进行大规模投产，我国起步虽然较晚但发展却较为迅速，中车株洲所于2014年成功研发690kW永磁同步电机^[2]。因此对于永磁同步电机的全速度范围控制策略的研究具有重大意义。

传统永磁同步电机采用恒压频比控制（VVVF），尽管这种控制方式成本低，但由于是开环无位置传感器的控制方法，无法保证电流矢量和转子磁链矢量垂直，使得电机功率因数和运行效率低，一般只用于低速且对电机性能要求不高的场合，如风机、水泵等。文献[3]采用id=0控制永磁同步电机，调制方式选择了异步SVPWM调制，但调速范围窄，定子电流正弦性不明显，谐波含量较高。文献[4]采用了最大转矩电流比（MTPA）控制，调制方式选择了异步SVPWM调制方式，尽管控制效果较id=0控制有所提高但是其调速范围也仅限于达到电机额定转速未能实现扩速，并不符合高速列车的扩速要求。

本文主要研究了高速列车永磁同步电机的全速度范围的控制策略，以扩大电机调速范围提高电机响应速度和降低转矩脉动为目标，采用MTPA加弱磁控制的控制策略，在调制方式上对于传统异步SVPWM进行改进，采用多模式脉宽调制技术，进行对比仿真分析，分析了电机的转速转矩响应曲线和电流谐波含量，验证了本文所提控制策略的正确性。

图4、图5为常规MTPA与MTPA加弱磁控制仿真对比图仿真结果表明采用MTAP加超前角弱磁控制拥有良好的弱磁性能，对比常规MTAP控制具有更好的转速转矩响应曲线。

                    图4 转矩响应曲线对比                                                   图5 转速响应曲线对比

但是此种调制方法只采用了异步SVPWM调制忽略了实际情况中的大功率开关管IGBT的实际性能。仿真中SVPWM周期为0.1ms即开关频率为10kHz，但是高速列车IGBT的实际开关频率只有400-1000Hz，所以异步SVPWM调制只存在于理想状况而实际应用中我们通常选择多模式脉宽调制策略^[5-10]。

3  多模式脉宽调制策略

前文提出由于高速列车PMSM功率很大，所以牵引变流器的输出功率也非常大，IGBT的开关损耗和散热制约了牵引变流器IGBT的开关频率。所以在中高速阶段需要重新对调制方式进行设计。

传统SVPWM技术有三种基本基本模式，异步调制、同步调制和分段同步调制。异步调制在载波比N较大的时候有着良好的调制效果谐波含量及转矩脉动都非常低，所以在低速时采用异步调制。同步调制可以始终保持输出波形的对称性但在低速时谐波含量高，转矩脉动大，而且由于载波周期连续变化不易实现。分段同步调制将不同的调制比分为几个调制频段载波比N通常为3的奇数倍，这样既发挥了异步调制的优势也保证输出波形的对称性所以中速段前半部分采用分段同步SVPWM技术。但在中速段载波比N＜10的时候，低次谐波含量非常高转矩脉动非常大所以针对这一问题提出了特定谐波消去脉宽调制（SHEPWM）技术。当载波比为9、5、3时采用SHEPWM调制。在高速段采用方波调制。多模式脉宽调制策略各频段载波比如表2。

3.2  不同调制模式切换方法

当异步SVPWM和同步SVPWM过渡时载波比和载波频率不改变所以不存在冲击震荡，波比N从3过渡到方波时是自然过渡，只要算法正确也不存在冲击震荡。所以表2中只有载波比从21到15,15到9,9到5,5到3，即fs为36Hz、42Hz、48Hz、54Hz时存在切换。

    当载波比切换状况理想时电压相位连续不会产生冲击电流，电机运行稳定。非理想状况时切换点电压相位突变，必然会产生冲击电流，电机的转矩也随之改变，列车运行不稳定，并且这样的切换点在切换的时候占据大多数。所以为了实现平滑切换本文选择对切换后的电压进行相位补偿的办法使得切换点前后的电压相位连续，补偿后的电压矢量相位角为下的给定值。

                            (13)

本文以SVPWM同步调制切换至9分频SHEPWM和9分频SHEPWM切换至5分频SHEPWM（调制波频率分别为42Hz、48Hz）例验证电压相位补偿法的正确性，切换前后电机线电压如图8所示。

3.3  仿真对比分析SVPWM与多模式脉宽调制

将两种脉宽调制策略转速给定值均设为2000r/min，通过对比输出的最大转矩来观察两种调制策略的转速转矩响应速度和转矩脉动情况。

图9为不同调制模式转速曲线对比，图10为不同调制模式转矩曲线对比。从图9可以看出多模式脉宽调制转速响应曲线更快在0.8s即可达到2000r/min，而异步SVPWM经过0.9s才达到转速给定值。图10可以看出在2000r/min的转速下多模式脉宽调制最大输出转矩保持在600N•m，转矩脉动较小。而异步SVPWM脉宽调制技术最大转矩只能达到550 N•m左右且转矩脉动相对于多模式脉宽调制较大，这说明了多模式脉宽调制技术对于谐波有抑制作用降低了转矩脉动。

4  结语

在高速列车永磁同步电机运行过程中，采用MTPA控制与弱磁控制相结合的控制策略来达到电机扩速的目的，同时分析了传统异步SVPWM调制并不符合列车实际运行需要。之后对调制策略进行改进，结合SHEPWM调制策略提出了多模式脉宽调制策略，相对于传统异步SVPWM调制，该种调制策略能够消除特定低次谐波，提高电机效率。之后分析了载波比切换时的方法，实现了载波比的平滑切换。通过仿真证明了本文提出的控制策略可以很好地满足高速列车运行需要，具有可行性与稳定性，对于今后的研究有一定的实际意义。

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