基于准比例谐振补偿器的直流链路稳定性控制技术，用于前置ζ变换器，以减轻无刷直流电机驱动中的电流纹波

《International Transactions on Electrical Energy Systems》：Quasiproportional-Resonant-Compensator-Based DC-Link Stabilization of In-Front Zeta Converter Allied to Mitigate Current Ripples in BLDC Motor Drives

无刷直流电机（BLDCM）驱动中电流和转矩波纹受限于电感特性及高频谐波（SFH）对直流链电压（DCLS）的干扰。本文提出前向zeta转换器（IFZC）结合准比例谐振补偿器（QPRC）的策略，通过调节IFZC输出电压至4倍峰值反电动势，实现 commutation期间电流斜率平衡，消除转矩波纹；同时QPRC针对SFH进行频率选择性衰减，提升DCLS稳定性。实验与仿真表明，该方法使电流波纹降低至6.1%，显著优于传统PI、PRC等控制方式。

　　在现代电力电子和电机控制领域，无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDCM）因其高效率、紧凑结构以及卓越的扭矩与重量比，成为广泛应用的设备之一。然而，BLDCM在实际运行过程中，常常伴随着显著的电流和扭矩波动，这种波动不仅影响系统的整体性能，还可能对直流母线电压（DC-link Voltage, DCLS）的稳定性造成干扰，从而引发一系列不良影响。为了应对这一问题，研究者们不断探索新的控制策略和拓扑结构，以提升系统的动态响应和运行稳定性。本文提出了一种基于准比例谐振补偿器（Quasi-Proportional-Resonant Compensator, QPRC）的新型控制方案，用于改善BLDCM驱动系统中DCLS的稳定性，同时有效抑制电流波动（Current Ripple, CCR），从而提升系统的整体性能。

在BLDCM运行过程中，由于电机的相电感、电阻以及反电动势（Back-EMF）的特性，电流在换相（Commutation Interval, CI）期间无法立即达到稳态，而是表现出一定的波动。这种波动直接影响到电机的输出扭矩，导致扭矩波动（Torque Ripple, TR）。TR不仅降低了电机运行的平滑性，还可能引发机械振动、速度控制不稳定以及不必要的噪音，从而影响系统的运行质量。此外，换相过程中产生的高频谐波（Switching Frequency Harmonics, SFH）会在直流母线电压中叠加，导致DCLS的不稳定，进一步影响整个系统的动态特性。

传统的控制方法，如比例积分（PI）控制器，虽然在一些场景下表现良好，但在处理高频交流信号时存在明显的局限性，无法有效消除稳态误差，且对频率变化敏感，难以适应复杂工况下的动态调整需求。相比之下，比例谐振（Proportional-Resonant, PRC）控制器能够在特定频率下实现较好的稳态误差控制，但其频率适应性较差，难以应对实际系统中可能出现的频率偏移问题。因此，本文提出了一种基于QPRC的新型补偿策略，以克服这些局限性。QPRC在设计上结合了比例控制与谐振控制的优点，能够在特定频率下实现高增益，同时对非谐振频率的信号保持较低的增益，从而有效抑制高频谐波对DCLS的影响。此外，QPRC的引入还降低了对精确模型或系统参数的依赖，使得其在实际应用中更加灵活和鲁棒。

为了实现QPRC对DCLS的稳定控制，本文设计了一种基于“在前Zeta转换器”（In-Front Zeta Converter, IFZC）的控制结构。IFZC是一种能够提供稳定直流电压输出的转换器，其结构相对简单，且能够有效调节电压。通过将QPRC与IFZC相结合，系统能够在换相过程中保持稳定的DCLS，从而减少电流波动，提升扭矩输出的平滑性。IFZC的控制策略通过调整占空比，确保输出电压与电机的反电动势保持一致，从而降低电流的上升和下降速率之间的差异，进而减少换相引起的波动。

本文还通过理论分析和实验验证，展示了QPRC与IFZC结合后的优越性能。理论部分详细分析了QPRC的工作原理及其对系统频率响应的影响，采用Bode图等方法评估了QPRC的频率选择性和稳定性。实验部分则构建了一个硬件原型，使用STM32F407VGT控制器进行控制策略的实现，并通过示波器（如Tektronix TBS1102B-EDU）对实际波形进行测量和分析。实验结果表明，QPRC能够显著降低高频谐波成分，从而提高DCLS的稳定性，并有效抑制换相过程中的电流波动，使BLDCM的运行更加平滑和高效。

此外，本文还对现有的各种控制方法和转换器拓扑结构进行了比较分析，指出它们在处理电流波动和高频谐波方面的不足。例如，传统的SEPIC转换器虽然能够提供一定的电压增益，但其在换相过程中存在较高的电流波动，而Boost转换器虽然能够改善输入电压的波形，但仍然受到电磁干扰（EMI）和电流波动的限制。相比之下，IFZC与QPRC的结合不仅降低了系统的复杂度，还显著提升了DCLS的稳定性，同时减少了电流波动，从而改善了BLDCM的动态性能。

实验结果进一步表明，QPRC在控制策略中的应用，使BLDCM在不同负载条件下（如轻载、中载和满载）均能表现出优异的性能。在没有QPRC的情况下，BLDCM的电流波动较高，而在结合QPRC后，波动显著降低，使得电机的输出扭矩更加稳定。这表明，QPRC不仅在特定频率下表现出优异的谐振特性，还能有效抑制高频谐波对系统的影响，从而提升整体系统的鲁棒性和控制精度。

本文的研究成果不仅为BLDCM驱动系统提供了新的控制思路，也为电力电子领域的发展贡献了新的技术方案。通过将QPRC与IFZC相结合，系统能够在换相过程中实现更精确的电压调节，同时减少电流波动，从而提高电机运行的平滑性和稳定性。该方法在实际应用中展现出良好的适应性和可行性，特别是在对电流波动和系统稳定性要求较高的领域，如电动汽车、机器人、医疗设备和工业自动化等。

综上所述，本文提出了一种基于QPRC的BLDCM驱动系统稳定控制方案，通过IFZC实现电压调节，结合QPRC对高频谐波进行抑制，从而提升系统的整体性能。该方法不仅克服了传统控制策略的局限性，还通过实验验证了其有效性，具有重要的工程应用价值。未来，随着电力电子技术的不断发展，这种结合QPRC与IFZC的控制方案有望在更多领域得到应用，为电机控制技术提供新的发展方向。