考虑非观测区补偿的永磁同步电机单电阻采样重构
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魏海峰 陆彦如 江廷宇 李垣江 储建华
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171752
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导语
为进一步实现永磁同步电机的低成本、小体积、高性能矢量控制，本文提出单电阻电流采样的三相电流重构技术，并基于单电阻电流重构技术提出一种非观测区补偿控制方法。
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研究背景所
在永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）领域，大量的控制应用一直在寻找提高效率、缩小体积、降低系统成本的方法。在现有的控制方法中，矢量控制因具有低成本、效率高、良好的转矩控制等脱颖而出。在电机矢量控制中，定子相电流检测是否准确则直接影响到它的系统性能，因此，采用电流重构控制技术成为了必然的选择趋势。目前交流电流的采样方案主要包括电流传感器法、三电阻采样法和单电阻采样法。
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论文所解决的问题及意义
本文结合电机的驱动系统，研究单电阻电流采样的三相电流重构技术的原理，建立空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）控制不同电压矢量情况下母线电流与电机三相电流对应关系。定义非观测区所包括的区域，提出通过修改SVPWM的占空比对非观测区进行补偿，解决非观测区内无法重构相电流的问题。本文所提单电阻电流重构技术验证了理论的正确性，具有可靠性、有效性和实用价值。
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本文针对永磁同步电机无传感器矢量控制领域，提出一种基于单电阻电流重构技术的 SVPWM补偿控制的方法。该方法通过分析直流母线电流与三相交流电流的关系，通过对非观测区进行补偿，实现了全区域三相交流电流的重构与检测。本文方法的系统控制框图如图1所示。
本文在理论基础上做了进一步细化、推进与突破：
（1）在可观测区内，在一个PWM周期内进行了两次采样。
（2）在非观测区内通过SVPWM的补偿，得到了更宽的采样窗口，从而得到了更为准确的母线电流信息。
（3）本文更加注重使该方法能更细化、更工程化，因而更加侧重于实验研究，从直接、间接的角度进行了实验验证，通过示波器和上位机的共同协作，对补偿前后三相重构电流波形、PWM波形及采样电阻上的电压波形、电机进入闭环后电流波形、补偿后速度变化波形等均进行了检测，严格确保了采样及重构的三相电流与实际测量到的电流一致。
（4）本文通过实验方法得到了最佳采样时间 ，并通过FFT分析说明在最佳采样时间的情况下相电流波形谐波幅值最低，能够实现最佳重构。
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结论
本文针对无位置传感器的永磁同步电机，提出一种可以实现全区域单电阻电流采样的方法，并基于该方法提出了相电流重构技术，在非观测区内通过SVPWM的补偿重构非换相电流，抑制力矩纹波的产生。通过理论分析和实验验证，可以得到以下结论：
1）在可观测区内通过一个PWM周期内采样2次进行计算，获得三相电流，有效的完成重构。
2）在非观测区内通过SVPWM的补偿，得到更宽的采样窗口，实现非观测区的三相电流重构。
3）通过搭建实验平台，结合上位机和示波器进行实验验证，对比系列波形，表明该方案的正确性。
4）最佳采样时间的选取在本文只进行了实验的分析，如何具体上升到理论的高度是后面需要研究的问题。
相对于传统的电流采样方案，基于单电阻电流采样方案降低了控制成本，缩小了电路面积，提高了系统效率，实现了电流保护，具有高性能、高可靠性、高一致性等优点，适合永磁同步电机的调速以及逆变电源等场合。
魏海峰, 陆彦如, 江廷宇, 等. 考虑非观测区补偿的永磁同步电机单电阻采样重构[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12): 2695-2702.
Wei Haifeng, Lu Yanru, Jiang Tingyu, et al. Single Resistor Sampling Reconstruction of Permanent Magnet Synchronous Motor Considering Non-Observation Area Compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2695-2702..
团队简介
魏海峰（1981-） 男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电机控制。2009年7月至今，在江苏科技大学电子信息学院任教，2017年10月至今，在镇江市电工技术学会任职秘书长。主持在研省部级项目1项，完成国家级项目2项，完成市厅级课题5项，获学会级奖励2项，录用发表核心以上论文44篇，授权发明专利37项。承担的教学课程有“电能质量分析与控制”、“柔性输电技术”等。
陆彦如（1994-）女，硕士研究生，研究方向为电机控制。