双三相开绕组永磁同步电机驱动的四电平SVPWM策略与统一占空比补偿方法研究

《CES Transactions on Electrical Machines and Systems》：Four-Level SVPWM Strategy of Dual Three-Phase Open-Winding PMSM Drive

本文针对高功率等级和低电流谐波的双三相开绕组永磁同步电机（DTP-OW-PMSM）驱动需求，提出了一种基于2:1:1直流链路电压比的双三平四电平空间矢量脉宽调制（DTP-FL SVPWM）策略。研究通过构建双四电平空间矢量图、优化相邻矢量合成与开关序列，实现了高调制精度和低开关频率；进一步引入统一占空比补偿（UDRC）方法，有效抑制了电压偏差引起的电流谐波。实验验证表明，该策略显著提升了驱动系统的动态性能和鲁棒性，为高功率电机驱动提供了创新解决方案。

　　

随着轨道交通、电动汽车和工业制造等领域对电机驱动系统功率密度和控制精度的要求不断提高，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其高效率、高功率密度和高可靠性而成为研究热点。然而，传统单三相电机驱动系统在功率等级提升时面临供电电压限制和电流谐波增大的挑战。为解决这一问题，多相电机和开绕组电机（Open-Winding PMSM, OW-PMSM）成为两种有效的技术路径。其中，双三相开绕组永磁同步电机（Dual Three-Phase Open-Winding PMSM, DTP-OW-PMSM）结合了双三相电机消除六次转矩谐波和开绕组电机双端供电的优势，可实现功率的倍增，并具备良好的容错能力。但现有调制策略多针对电压比对称或单三相系统，难以在非理想电压条件下兼顾调制精度和开关损耗。

在此背景下，本文发表于《CES Transactions on Electrical Machines and Systems》的研究提出了一种针对DTP-OW-PMSM驱动的双三平四电平空间矢量脉宽调制（DTP-FL SVPWM）策略，并通过统一占空比补偿（Unified Duty Ratio Compensation, UDRC）方法优化了电压偏差下的调制性能。该研究构建了基于2:1:1直流链路电压比的拓扑结构，通过高精度矢量合成和开关序列优化，实现了低谐波、低开关频率的驱动控制。

研究中采用的关键技术方法包括：基于矢量空间分解（Vector Space Decomposition, VSD）的电流控制框架、双四电平空间矢量图的构建与分区、相邻矢量选择与占空比计算、开关序列优化算法以及UDRC补偿策略。实验平台采用DSP实现实时控制，并通过RL负载和机械耦合发电机验证动态性能。

拓扑结构与控制框架

研究首先设计了DTP-OW-PMSM驱动拓扑，其中两组三相绕组空间相位差30°，分别由四个两电平电压源逆变器供电。高压侧（High-Voltage Side, HVS）逆变器INV1和INV2共用一路直流源（U_dc1），低压侧（Low-Voltage Side, LVS）逆变器INV3和INV4采用独立直流源（U_dc2、U_dc3），电压比设置为2:1:1。控制框架通过VSD矩阵将六相电流解耦为dqxy轴分量，利用PI控制器实现电流跟踪，并逆变换生成六相参考电压，最终由DTP-FL SVPWM策略生成脉冲信号。

四电平SVPWM策略设计

针对每组三相绕组，研究构建了包含37个矢量位置的四电平空间矢量图，并将其划分为三个调制区域。通过判断参考矢量所在扇区和子扇区，选择三个最近邻矢量进行合成，避免电压跳变。开关序列优化中，高压侧逆变器在区域1和3采用钳位矢量以降低开关频率，区域2则根据相邻区域矢量动态调整；低压侧逆变器以最小化开关动作为原则排序。仿真表明，该策略将高压侧平均开关频率从10 kHz降至1.04 kHz，低压侧降至6.8 kHz。

统一占空比补偿方法

为应对实际应用中直流链路电压偏差导致的调制误差，研究提出UDRC方法：首先根据实际电压计算理想电压比（2:1:1），再通过占空比补偿修正逆变器输出。当高压侧电压偏差超过阈值时，同时补偿高、低压侧占空比；否则仅补偿低压侧。实验表明，该方法在电压比例偏离时（如50 V:40 V:40 V）可将电流THD从16.58%降至2.89%。

性能对比与实验验证

与现有策略相比，所提策略在调制指数M=1时电流THD低至1.49%，且在全调制范围内平均THD降低29.82%。动态实验中，电机在速度阶跃（200→1000 r/min）和负载阶跃（0→12 N·m）下均表现出快速响应和稳定跟踪能力，dqxy轴电流能精确跟随参考值。

研究结论表明，基于2:1:1电压比的DTP-FL SVPWM策略通过优化矢量合成与开关序列，显著提升了DTP-OW-PMSM驱动的调制精度和效率，而UDRC方法有效增强了系统对电压偏差的鲁棒性。该工作为高功率电机驱动提供了兼顾性能与实用性的解决方案，对电动汽车、航空航天等领域的高性能电机控制系统具有重要参考价值。