逆变器电流滞环控制仿真



静止变流器目录

静止变流器是一种重要的电力电子装置，它在电力系统中起着至关重要的作用。本目录将深入探讨其现状、技术发展以及各个关键环节的特性与应用。

首先，第一章阐述了静止变流器的基本概念，介绍了其当前的发展情况和技术指标，以及它在不同领域的应用（1.1 何谓静止变流器；1.2 静止变流器的现状与发展；1.3 静止变流器的技术指标与应用领域）。

在第二章中，重点讨论了低频环节静止变流器，包括其电路结构、拓扑设计以及不同类型的静止变流器，如方波、阶梯波合成和脉宽调制（2.1 引言；2.2 低频环节静止变流器电路结构和拓扑族；2.3-2.5 各种静止变流器类型）。

第三章和第四章则深入探讨了单向电压源高频环节静止变流器，涉及电路结构、稳态特性以及控制策略，涵盖了前置DC-DC变换级和后置DC-AC逆变级的原理（3.1-3.4 单向电压源高频环节静止变流器）和高频脉冲直流环节的控制技术（4.1-4.5 高频脉冲直流环节逆变器）。

第五章详细解读了有源箝位正激式高频脉冲直流环节静止变流器，包括磁复位技术以及稳态和信号特性分析（5.1-5.5 有源箝位正激式高频脉冲直流环节静止变流器特性）。

后续章节分别涉及高频脉冲直流环节的关键参数设计、交流环节静止变流器、电流源变流器、直流变换器型变流器、三相静止变流器等，以及控制技术、滤波器、辅助电源和控制策略的深入探讨（第六章-第十四章）。

最后，第十五章聚焦于三态电流滞环控制高频环节静止变流器的设计与实现（15.1 三态电流滞环控制高频环节静止变流器的设计与实现）。

什么是滞环控制?

滞环电流控制是一种双闭环控制方法，通过比较给定的三相电流信号与实际测量的电流信号，调整功率开关状态，使实际电流值跟踪参考电流值。控制核心是滞环比较器，其设置的环宽H，限制了电流变化速度，避免开关状态频繁切换过快。工作时，误差电流始终处于以0为中心，H和-H为上下限的滞环内。

具体工作流程如下：当误差电流大于H时，上桥臂开关导通，电流增大；当电流增加至与参考电流相等，开关保持导通，电流继续增大；当误差电流大于-H时，上桥臂开关关断，下桥臂开关导通，电流方向不变，数值减小。这种控制方式具有高控制精度、快响应速度和强电流跟踪能力等优点。

通过仿真分析，逆变器输出电流与给定电流保持-h~h区间内锯齿状变化，当给定电流为正弦波时，输出电流接近正弦波。滞环宽度H的选择对补偿电流跟踪指令电流和谐波补偿效果有直接影响。

然而，滞环电流控制法存在电流纹波大和开关频率不确定的问题，限制了其广泛应用。对于希望进行仿真模型的读者，可以关注公众号[浅谈电机控制]获取。

BLDC滞环控制仿真

BLDC滞环控制仿真

BLDC（无刷直流电机）滞环控制仿真是一种有效的电机控制策略验证方法。以下将详细介绍如何使用GCKontrol搭建BLDC及其滞环控制模型，并进行仿真分析。

一、系统设计与模型搭建

系统设计框图

BLDC控制系统设计框图如图1所示，主要包括控制器模型、电压逆变器模型、电机本体模型和霍尔传感器模型。

模型搭建

使用GCKontrol搭建的BLDC电机系统视图如图2所示。

二、BLDC本体模块

电流与电压

BLDC定子绕组为三相星形连接，无中线引出。各相绕组的电压、电流和反电动势的关系如图3和相关公式所示。

反电动势波形如图5所示，采用分段线性法建立梯形波反电动势波形。

转矩与转速

电机的电磁转矩由绕组的合成磁场和转子磁场相互作用产生，计算公式如图7所示。电机的运动方程和转速计算模块如图8所示。

三、霍尔传感器

霍尔传感器可以检测磁场的变化，并将磁场方向变化信号转化成不同的高低电平信号输出。通过检测霍尔传感器的输出信号，可以判断电机的电角度位置，用于判断参考电流信号。霍尔传感器磁场检测示意图和信号变化示意图如图9和图10所示。

四、控制模型

转速控制

转速控制采用PID控制算法，输出为三相参考电流，限定幅度为±20A。电机转速控制模块如图11所示。

参考电流

参考电流模块根据电流幅值信号和位置信号给出三相参考电流，直接输入电流滞环控制模块。

电流滞环控制模块

电流滞环控制模块采用滞环控制原理实现电流的调节。滞环型PWM逆变器的工作原理如图12所示。当给定电流值与反馈电流值的瞬时值之差达到滞环宽度正边缘时，逆变器开关管VT1导通，VT2关断，电流上升；反之，当差值达到滞环宽度负边缘时，VT1关断，VT2导通，电流下降。

五、逆变器模块

本示例工程使用三相半桥逆变器作为驱动电路，其拓扑图如图13所示。逆变器通过滞环控制输出的PWM波进行控制，实现逆变器功能，驱动电机转动。逆变器等效模型如图14所示。

六、仿真分析

模型参数

模型参数设置如图15所示。

仿真结果

仿真结果如图16和图17所示。在0.2S时，电机期望转速由500rpm阶跃至1500rpm；在0.5S时，电机期望扭矩由0Nm阶跃至0.1Nm。从结果可以看出，电机转速与扭矩能够很好地跟随设定值变化，跟随性良好。

七、总结

使用GCKontrol搭建控制模型及电机模型，可以完整实现BLDC电机的滞环控制仿真。从仿真结果可以看出，电机的反电动势及电流曲线与理论一致，能够很好地模拟电机运行的情况，方便后续进行数据分析验证。此外，使用GCKontrol搭建的模型支持生成C代码，可以载入嵌入式开发板中，实现电机的控制系统开发集成，也可将电机模型封装为FMU载入GCAir等软件中进行实时仿真与HIL测试等工作。

电机的滞环电流控制

电机的滞环电流控制是通过实际电流与参考电流进行比较，若电流超出预设范围，则调整逆变器开关状态，从而控制电流在参考值附近波动的控制方法。以下是关于电机滞环电流控制的详细解释：

基本原理：

电流比较：滞环电流控制首先会将实际电流与参考电流进行比较。预设范围：若实际电流超出了预设的滞环范围，则需要进行调整。开关状态调整：通过改变逆变器的开关状态，增大或降低电压，使电流回到参考值附近。

逆变器的作用：

电压控制：逆变器通过控制其开关状态，可以实现对电机相电压的控制。电流调节：通过调整电压，可以进一步调节电机的实际电流，使其接近参考值。

滞环控制器的实现：

程序控制：滞环控制器通常通过程序实现，程序会不断比较实际电流与参考电流的大小。电压调整：根据比较结果，程序会调整电压，以改变电流。硬件配合：程序的控制效果依赖于硬件电路的实现，特别是逆变器的开关状态控制。

应用与优势：

应用场景：滞环电流控制广泛应用于需要精确控制电流的电机系统中，如永磁同步电机等。控制精度：由于滞环控制具有较快的响应速度和较高的控制精度，因此能够实现电流的稳定控制。鲁棒性：滞环控制对系统参数的变化和外界干扰具有一定的鲁棒性，能够保持较好的控制效果。

综上所述，电机的滞环电流控制是一种有效的电流控制方法，通过不断比较实际电流与参考电流，并调整逆变器的开关状态，实现电流的稳定控制。

异步电机直接转矩控制算法梳理

异步电机直接转矩控制算法梳理

异步电机直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）是一种高效的控制策略，其核心思想是通过直接控制定子磁链与转子磁链之间的夹角（即转矩角）来实现对异步电机转矩的直接控制。以下是对异步电机直接转矩控制算法的详细梳理：

一、控制思想

在异步电机实际运行中，保持定子磁链幅值为额定值，以便充分利用电动机铁心；转子磁链幅值则由负载决定。通过控制定子磁链与转子磁链之间的夹角，即转矩角，可以控制电动机的转矩。直接转矩控制的基本方法是通过选择电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度，通过控制定子磁链走走停停，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改变转矩角的大小，达到控制电动机转矩的目的。

直接转矩控制采用两个滞环比较控制器，分别比较定子给定磁链和实际磁链、给定转矩和实际转矩的差值。然后，根据这两个差值查询逆变器电压矢量开关表，得到需要加在异步电动机上的恰当的电压开关矢量。最后，通过PWM逆变器实现对异步电动机的控制。

二、基本原理与控制模块

电压方程与磁链控制

异步电机在静止坐标系下的电压方程可以表示为公式（1）（具体公式已省略，但可通过中的公式查看）。当电机转速不是很低时，定子电阻上的压降对于定子磁链产生的感应电动势来说较小，可以忽略。

定子磁链旋转矢量可用特定公式表示，其矢量端的运动轨迹呈圆形，称为矢量圆。通过控制施加的电压矢量与当前定子磁链之间的夹角，可以控制定子磁链幅值的增减。

电磁转矩表示

在三相静止坐标系下，电磁转矩可以表示为电动机定子磁链和转子磁链的函数。通过改变定子磁链与转子磁链之间的夹角，可以直接控制异步电机的转矩。

逆变器电压矢量开关表

逆变器电压矢量开关表是实现直接转矩控制的关键。根据定子磁链和电磁转矩的偏差，通过查询开关表，可以得到适当的电压开关矢量。开关表分为加入零矢量和未加入零矢量两种类型。加入零矢量的开关表可以提供更多的控制灵活性，有助于减小转矩波动。

定子磁链观测器

定子磁链观测器用于观测定子磁链的实时值。常见的观测方法有电压型磁链观测器、电流型磁链观测器、混合模型磁链观测器和全阶磁链观测器等。

转速环

转速环用于控制电机的转速。PI参数的整定方法包括试凑法和计算法。通过调整PI参数，可以实现对电机转速的精确控制。

三、仿真分析

通过仿真分析，可以对比传统DTC和加入零矢量的直接转矩控制的性能。仿真设置给定转速为150/min，给定磁链为0.85 Wb，在0.4s时加载14nm。仿真结果表明：

零矢量的加入影响定子磁链的轨迹，使其更加平滑。零矢量的加入使得转速超调更小，提高了转速控制的稳定性。加入零矢量的DTC相比于传统的DTC，转矩波动明显减小，提高了转矩控制的精度。

四、总结

直接转矩控制由于其快速响应特性，广泛应用于异步电机控制领域。然而，传统的直接转矩控制存在转矩波动等问题，影响了其控制性能。利用零矢量具有保持转矩的特性，将其加入到异步电机转矩控制当中，可以有效减小转矩波动，提高控制性能。

以下是相关展示：

电机控制：直接转矩控制（DTC）

FOC、DTC、滞环三相电流控制、开环V/F等，这些都是电机控制的常用方法。

我的研究主要针对永磁同步电机（PMSM），因此以下内容将以PMSM作为被控对象。

电流矢量控制（FOC）中，通过电机dq轴解耦后的转矩和励磁电流来控制电机转矩。数学模型如下：

公式(1)

转矩方程：

公式(2)

其中，公式(1)表示电机极对数；公式(2)表示电机电磁转矩；公式(2)表示dq轴电机定子磁链；公式(2)表示电机永磁体磁链；公式(2)表示dq轴电机定子电流。

DTC中，仅需要两相静止坐标系变换，dq轴坐标变化将被省略。以下介绍一种1997年新南威尔士大学Dr. Limin Zhong提出的传统DTC方案。

静止坐标系下的转矩方程如下：

公式(3)

其中，公式(3)表示电机定子磁链矢量；公式(3)表示电机定子电流矢量。公式(3)表示叉乘运算符号。

控制电机电磁转矩只需要合理控制不旋转的电机定子侧，而不像电流FOC通过控制旋转的转子侧来控制电机电磁转矩。

DTC核心在于重新构建一个坐标系，即xy坐标系，来化解公式(3)，xy坐标系和定子磁链矢量保持同步旋转的坐标系，x轴方向与定子磁链矢量的方向一致。

为了方便理解DTC，以下图为电机在不同坐标系的关系图：

根据xy坐标系，公式(3)转化为了标量定子磁链公式(4)，不难看出公式(3)可以转化为下式：

公式(4)

值得注意的是公式(4)有点像SPMSM的公式(2)，但实质是不一样的。

为了方便陈述，本文仅考虑电机类型为SPMSM，因此xy坐标系下的定子磁链方程如下：

公式(5)

其中，公式(5)为定子磁链与转子磁链的夹角，定义为转矩角，由于当转矩增大时，转矩角增大，因此间接地把这个夹角称为转矩角。

由于公式(5)，下式成立：

公式(6)

代入公式(6)于公式(4)，可得：

公式(7)

因此在电机参数确定情况下，对电机电磁转矩进行控制仅需要对定子磁链大小和转矩角进行控制，相对于公式(3)，控制变量从原来的四个减小到了两个。

这里DTC可以扩展成很多种了...

1997年最传统的DTC方法利用电机电压矢量公式(8)来控制定子磁链大小和转矩角，

为了控制定子磁链大小及转矩角，可以通过电机电压方程看出内在联系：

公式(8)

忽略公式(8)影响后，利用前向欧拉公式，磁链大小可以表示为如下：

公式(9)

其中，公式(9)表示控制周期。

假设逆变器拓扑结构为three-phase-two-level，我们可以用下图来表示上述公式：

这个公式(9)很重要，可以理解为电压矢量公式(8)可以控制定子磁链大小及角度公式(9)，那么转矩角和定子磁链角度公式(9)怎么联系呢？传统的DTC方法的精髓就是直接把转矩角进一步简化了。

首先，转矩角可以这样表示：

公式(10)

对转矩角求微分，可以得：

公式(11)

由于电机控制器的控制频率较快，因此转子角度微分可以近似为零，因此公式(11)可以变换为：

公式(12)

因此，可以发现对定子磁链角度公式(9)控制也就是对转矩角进行控制。因此根据上图，有了下面的DTC开关表：

一种Sensorless的传统DTC方案如下所示：

然而，上述这种DTC方法没有应用零电压矢量，如果当电机转速进入中高速区域，上述假设的误差将增大，因此一种添加零矢量的DTC被提出：

在不忽略相邻时刻电角度为零的情况下，对公式(10)求微分，可以得：

公式(13)

因此可以得出零矢量的作用尽管不会增大定子磁链角度，但会轻微地减小转矩角，因此可以近似为作用于要求转矩变化较小的情况。得到这个结论之后，我们可以把零矢量添加到DTC开关表中，进而快速地控制电机转矩，带有零矢量的DTC开关表如下所示：

再来介绍一种基于SPMSM的无定子磁链闭环的DTC方法(胡育文提出的一种方法)：

首先，回顾公式(7)：

公式(7)

可以进一步地化简：

公式(14)

因此在电机参数确定情况下，对电机电磁转矩进行控制就仅需要对定子交轴磁链大小进行控制，相对于公式(3)和公式(7)，控制变量减小到了一个。

对公式(8)进行dq变化：

公式(15)

在不考虑直轴定子磁链饱和的情况下，仅对q轴电压方程进行分析：

公式(16)

忽略电阻压降后，得：

公式(17)

对公式(14)进行微分，在代入公式(17)，得：

公式(18)

可以看出，增大转矩需要增大交轴电压，反之亦然。由于交轴电压建立于dq轴坐标系，六个非零矢量的交轴电压分别如下所示：

公式(19)

根据上述方程，确定最大值和最小值的交轴电压需要利用转子磁链夹角公式(19)来判断扇区位置，离线算出后列入表中，同样零矢量用来作用于转矩变换不大的情况，因此，这种无定子磁链闭环DTC开关表如下所示：

这里我来解释一点，我们印象中的DTC相对于FOC具有快速动态响应，可以从如下式中获得：

电机转矩变化率如下：

公式(20)

其中，公式(20)表示转矩角的变化率，由于公式(20)在公式(20)度始终为正，因此电磁转矩的变化率正比于转矩角的变化率，因此可以通过调整转矩角的快慢来改变动态响应时间，以上就是DTC具有快速转矩动态响应的原因。

下面建立1997年传统DTC的仿真如下：给定目标转矩10Nm公式(20)20Nm，分别观测转矩，磁链，如下所示：

从上图中可以看出，定子磁链控制的很稳。

相对于电流FOC，传统的DTC由于没有调制技术的参与，频率不固定，稳态性能较差，但随着DTC的发展，结合调制技术的DTC已经被推广。传统的DTC优点在于：动态响应快（电流带宽大于1kHz），无需调制技术参与，电机参数参与运算较少，且不需要PI调参。

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