面向电动汽车的5电平骑士逆变器改进型磁场定向控制与扭振抑制策略研究

《IEEE Access》：Modified Field-Oriented Control Scheme for a 5-Level Knight Inverter in PMSM-Based Electric Vehicle Applications

本文针对电动汽车牵引系统中传统多电平逆变器存在的电压应力不均、开关损耗大及转矩脉动等问题，提出了一种基于5电平骑士多电平逆变器(5L Knight MLI)的改进型磁场定向控制(FOC)策略，结合相位配置脉冲宽度调制(PD PWM)技术，实现了永磁同步电机(PMSM)的高效驱动。研究通过Matlab/Simulink仿真和OPAL-RT硬件在环(HIL)实验验证，系统总谐波失真(THD)低至2.41%，转矩瞬态响应显著改善，电压应力分布更均衡，为高电压电动车驱动系统提供了有效的解决方案。

　　

随着全球石油资源日益枯竭和环保意识增强，电动汽车(EV)正以前所未有的速度改变着我们的出行方式。然而，在电动汽车迈向大规模商业化的道路上，仍然面临着诸多技术挑战——电池能量密度不足、充电时间长、驱动系统效率有待提升等问题制约着其进一步发展。特别是在电动汽车的核心部件——牵引驱动系统中，如何在高电压工况下实现高效、平稳的电机控制，成为工程师们亟待解决的关键问题。

传统电动汽车驱动系统通常采用两电平逆变器配合永磁同步电机(PMSM)的方案，但在高电压应用场景下，这种配置面临着开关损耗大、电磁干扰强、输出波形质量差等局限。多电平逆变器(MLI)技术的出现为这一问题提供了新的解决思路，其中中性点钳位(NPC)、飞跨电容(FC)和级联H桥(CHB)等传统多电平拓扑结构虽然在一定程度上改善了输出性能，但仍存在组件数量多、电压平衡困难、控制复杂等不足。

正是在这样的背景下，印度韦洛尔理工学院的研究团队在《IEEE Access》上发表了他们的最新研究成果。该研究创新性地将一种名为“骑士”结构的5电平多电平逆变器(5L Knight MLI)应用于永磁同步电机驱动系统，并提出了带有扭振阻尼功能的改进型磁场定向控制(FOC)策略，为高性能电动汽车驱动系统提供了一种全新的解决方案。

这项研究的独特之处在于它将逆变器拓扑创新与控制策略优化有机结合。5电平骑士逆变器相比传统多电平拓扑具有开关器件数量少、无需串联功率半导体等优势，而改进的FOC策略则通过引入扭振阻尼电流环，有效抑制了电机在动态负载下的转矩振荡，实现了真正意义上的“机电一体化”优化设计。

为了验证这一创新方案的有效性，研究人员采用了多项先进的技术方法。首先是基于模型的设计方法，利用Matlab/Simulink搭建了整个驱动系统的仿真模型，包括5L Knight MLI的精确建模、PMSM的动态方程以及改进FOC算法的实现。其次是相位配置脉冲宽度调制(PD PWM)技术，该技术通过多个同相但垂直偏移的三角载波与正弦参考波比较，生成平衡的多电平输出电压，确保直流链路电容电压的自然平衡。第三是硬件在环(HIL)验证，使用OPAL-RT OP5700实时仿真器，利用其Xilinx Virtex 7 FPGA的纳秒级计算能力，在真实硬件环境中验证了控制策略的有效性。研究还采用了快速傅里叶变换(FFT)分析来量化系统的谐波性能，确保结果符合IEEE 519标准。

系统架构与工作原理

研究提出的驱动系统架构包括3相5L骑士多电平逆变器、永磁同步电机和改进型FOC控制策略三大部分。骑士逆变器每相采用8个功率开关器件，通过巧妙的拓扑结构生成5个电平的相电压输出(+V_dc/2, +V_dc/4, 0, -V_dc/4, -V_dc/2)，线电压则可达到9个电平，显著改善了波形质量。逆变器的五种工作模式通过不同的开关组合实现，确保了在各种工况下的稳定运行。

改进型磁场定向控制策略

传统的FOC策略通过解耦控制d轴和q轴电流，分别调节电机的磁链和转矩。本研究在传统FOC基础上引入了扭振阻尼机制，在q轴电流环中加入阻尼电流分量，有效抑制了机械传动系统在转矩突变时产生的低频振荡。这种改进不仅提高了系统的动态响应速度，还显著降低了转矩脉动，使电机运行更加平稳。

相位配置PWM调制技术

PD PWM技术是本研究的另一大亮点。该技术采用(N-1)个同相三角载波与正弦参考波进行比较，通过精确的电平分配算法，生成适合5L骑士逆变器的开关信号。与传统PWM方法相比，PD PWM不仅减少了谐波含量，还自然实现了直流链路电容的电压平衡，无需额外的电压平衡电路。

性能验证结果

在额定转速3000RPM、负载转矩35N·m的测试条件下，系统表现出优异的性能。FFT分析显示，电机相电流的总谐波失真(THD)仅为2.41%，远低于IEEE 519标准的5%限值。在动态性能方面，改进型FOC相比传统FOC在转矩瞬态响应上有明显改善——在恒定转速下，转矩超调从43.00N·m降低到38.50N·m；在恒定负载下，从38.90N·m降低到36.15N·m。

电压应力分布分析显示，约75%的开关器件仅承受四分之一峰值输出电压，20%承受半电压，只有少数器件需要承受全电压，这种分布显著降低了系统的开关应力，提高了可靠性。

研究的创新价值不仅在于提出了新的逆变器拓扑和控制策略，更重要的是展示了这种方案在实际电动汽车应用中的可行性。通过详细的仿真和实验验证，研究团队证明了5L骑士逆变器配合改进FOC策略能够在高电压、大功率场合下实现高效、稳定的运行，为下一代电动汽车驱动系统的发展指明了方向。

这项研究的成功实施，标志着多电平逆变技术在电动汽车领域应用的重要进展。相比传统方案，新系统在效率、功率密度和可靠性方面都有显著提升，特别是在应对高电压电池系统的快速充电需求时表现出明显优势。随着电动汽车向800V甚至更高电压平台发展，这种基于多电平逆变器的高效驱动方案必将发挥越来越重要的作用。

从更广阔的视角来看，本研究不仅为电动汽车驱动技术提供了具体解决方案，其方法论也对其他领域的电力电子系统设计具有借鉴意义。将拓扑创新与控制策略优化相结合的系统级设计思路，以及基于模型设计加硬件在环验证的开发流程，都为复杂电力电子系统的研发提供了可复制的范例。

Y. Vijaya Sambhavi和R. Vijayapriya的研究工作，通过巧妙的拓扑设计和先进的控制策略，成功解决了高电压电动车驱动系统中的关键技术难题，为电动汽车技术的进一步发展奠定了坚实基础。随着这项技术的不断完善和推广应用，我们有理由相信，更加高效、可靠的电动汽车驱动系统将为可持续交通事业做出重要贡献。