基于不同控制策略的电机驱动系统EMI研究

郑琦琦，杜明星，孙德明，魏克新

（天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

基于不同控制策略的电机驱动系统EMI研究

郑琦琦，杜明星，孙德明，魏克新

（天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

在传统脉冲宽度调制（PWM）的永磁同步电机（PMSM）驱动系统中，电磁干扰问题成为研究难点。分析矢量控制和直接转矩控制的基本原理，得到谐波频谱表达式，利用MATLAB仿真软件建立PMSM驱动系统模型，在传导干扰测试频率范围内，仿真了矢量控制和直接转矩控制下逆变器输出电压的谐波分量。搭建实验平台，通过测试系统直流侧的干扰，得到直接转矩控制下系统产生的电磁干扰更小，是电动汽车用永磁同步电机驱动系统一种理想的控制策略。

永磁同步电机；传导电磁干扰；矢量控制；直接转矩控制

0　引言

随着现代科技的发展，永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）以其结构简单、体积小和效率高等优点广泛应用于电动汽车中［1～3］。在PMSM驱动系统中通常采取PWM方法，输出离散高峰值的电压谐波频谱，主要集中在开关频率及其整倍数频率附近，这些谐波产生的电磁干扰（EMI）能量大、频带宽，对汽车装置中电力电子设备的电磁兼容性能造成严重影响［4］。

针对系统中的电磁干扰问题，相关领域的学者提出滤波、屏蔽、隔离等措施进行抑制。这样的方法增加了系统的体积和安装费用，使得设计过程复杂化。因此可以采用不同的控制策略来抑制系统中的EMI，同时不会增加装置的体积和重量。

目前电动汽车PMSM驱动系统普遍采用矢量控制和直接转矩控制技术，矢量控制也被称磁场定向控制（field oriented control，FOC），能实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，在电机驱动系统中获得广泛应用［5］。近年来国内外学者提出了直接转矩控制（direct torque control，DTC）的方法，与传统的矢量控制相比，直接转矩控制具有：计算过程简化，不需要进行旋转坐标变换，转矩的动态响应快等优点。文献［6］对这两种控制策略进行对比分析，仿真转矩动态特性、电流脉动以及磁链脉动曲线。从相关文献来看，对于不同控制策略应用在PMSM驱动系统中的EMI研究较少，且还不完善。因此通过仿真与实验的方法，在PMSM驱动系统中分别采用FOC和DTC控制策略，研究电路的传导EMI尤为重要。

本文分析FOC和DTC的控制原理，得到逆变器输出侧电压的谐波分量频谱。国标GB 9254-2008［7］规定了工业环境中受试设备EUT的传导干扰测试限值，本实验依据该标准，在150kHz～30MHz传导干扰频段内，搭建电机驱动系统实验平台，在FOC和DTC控制下，对比分析共模干扰/差模干扰的抑制效果。最后通过实验，验证了理论分析和仿真结果的正确性。

1　原理分析

1.1矢量控制

图1为PMSM驱动系统拓扑结构，其中：Udc为直流电压，R为放电电阻，C为支撑电容。

图1　PMSM驱动系统拓扑结构

FOC的基本原理是通过测量和控制电机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对PMSM的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。采用空间矢量脉宽调制（space vector PWM，SVPWM），这种控制算法将逆变器和交流电机视为一个整体，建立在电机统一理论和电机坐标轴系变换理论基础上，数学模型简单，便于计算机的实时控制，在一个控制周期内，通过相邻电压矢量和零矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的连续可调，因此目前无论在开环和闭环调速系统中均得到广泛应用［8］。

SVPWM控制算法各次谐波分布的傅里叶级数形式如下［9］：

利用MATLAB得到逆变器输出线电压uab的各次谐波分量频谱，如图2所示。

图2　FOC控制产生的谐波分量

1.2直接转矩控制

DTC控制是一种新型的交流变频调速技术，具有控制直接、计算简单和鲁棒性较强等优点，电机转子轴上不使用机械传感器就可以获得较好的转矩动态控制性能［5］。因此，DTC被认为是一种“无传感器”的控制技术。

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在转子坐标系下的PMSM方程表达式如下［6］：

其中，Ld、Lq为d-q轴等效电感，ψf，ψs为励磁磁链和定子磁链，T为电磁转矩，P为转子磁极对数，δ为负载角。

DTC的核心思想是通过调节负载角δ的大小直接控制电磁转矩的大小，保证在电机运行过程中定子磁链幅值始终为额定值。

永磁同步电机电压表达式如下：

由于六边形磁链轨迹并非理想圆形，相应的励磁电流必然含有谐波分量，逆变器输出端的各次谐波分量如图3所示。

图3　DTC控制产生的谐波分量

仿真得出两种调制方式的线电压总谐波畸变率（THD），FOC的THD=875.44%，DTC的THD=206.75%。由于PWM波形主要经过电动机绕组的滤波作用近似为正弦波，谐波幅值越小，总谐波畸变率越低，得到波形的正弦度就会越好。因此与FOC相比，DTC得到的波形更为理想。

1.3共模/差模干扰

图4中R1、R2为50Ω固定电阻，VR1、VR2分别为LISN测得的直流侧干扰电压值，可得共模/差模干扰（CM/DM）电压为：

图4　CM/DM分离原理

2　实验测试

2.1实验平台

如图5所示为电机驱动系统电磁干扰测试平台，图中数字1为直流电源，数字2为干扰提取器，数字3为DC/ AC逆变器，数字4为dSPACE控制器，数字5为频谱分析仪，数字6为PMSM，数字7为上位机，环境温度为23℃，测试在屏蔽室中进行。

图5　测试平台

实验所用永磁同步电机参数如表1所示。

表1　PMSM参数

2.2实验结果

实验中直流电源电压为220V，IGBT型号为FF300R12KT4，开关频率设置为10kHz，在150kHz～30MHz传导干扰频段，分别采用FOC和DTC控制策略，利用干扰提取器对EV驱动系统直流侧的CM/ DM干扰进行测量，结果如图6、图7所示。

图6　FOC控制下CM/DM干扰

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图7　DTC控制下CM/DM干扰

实验表明，考虑频谱仪的衰减保护作用（Att 10dB），FOC控制下系统CM干扰在30～80dBuV之间，DM干扰在30～70dBuV之间；采用DTC控制后，CM干扰在整个干扰频段降低了10dBuV，DM干扰降低了10dBuV且在3MHz频段以上效果明显。对比以上实验结果可知，在整个传导干扰频段，采用DTC控制下系统产生的干扰低于采用FOC控制下产生的干扰。因此，可以通过改变控制策略改善系统中的电磁干扰。

3　结束语

基于DTC技术在PMSM驱动系统中的应用，分析FOC和DTC的工作原理。应用MATLAB仿真两种控制方式下逆变器产生的谐波分量，通过在屏蔽室中搭建实验平台测试，验证了仿真结果的可靠性，证明了DTC对系统传导电磁干扰具有良好的改善作用，在工程实践中具有重要意义。

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［4］ Kirlin R L， Lascu C， Trzynadlowski A M. Shaping the noise spectrum in power electronic converters［J］.Industrial Electronics，IEEE Transactions on，2011，58（7）:2780-2788.

［5］ 王斌，王跃，王兆安.空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制［J］.电机与控制学报，2010，14（6）:45-50.

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［7］ GB 9254-2008.信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法［S］.电磁兼容试验和测量技术.

［8］ 邢江勇.永磁同步电机空间矢量控制系统的仿真与分析［J］.制造业自动化，2013，35（22）:91-93.

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Research on electromagnetic interference for motor drive system based on different control strategies

ZHENG Qi-qi，DU Ming-xing，SUN De-ming，WEI Ke-xin

TM341

A

1009-0134（2016）09-0017-04

2016-06-03

天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCYBJC18400）

郑琦琦（1992 -），女，河南信阳人，在读硕士研究生， 研究方向为EV Driver电磁兼容及电力电子技术。