随着电驱动系统向更高的速度、更高的功率密度和更好的效率发展,由脉宽调制(PWM)产生的共模电压(CMV)已成为限制性能提升的主要技术瓶颈[[1], [2], [3]]。因此,开发结合高效率、成本效益和可靠性的变频驱动解决方案至关重要[[4], [5], [6]]。电驱动系统通常采用三相两电平电压源逆变器。这些逆变器产生的高频高幅值CMV会加剧轴承电腐蚀和系统内的电磁干扰等问题[7,8]。高频CMV通过共模回路产生共模电流,其漏电流分量可能导致接地故障保护继电器误动作,从而对整个系统产生不利影响[[9], [10], [11]]。
电驱动系统中抑制CMV的措施通常分为硬件抑制方法和软件方法[12,13]。硬件方法便携性较差,会增加额外的硬件成本,并扩大系统体积[14,15]。软件抑制方法基于PWM波形生成的原理,采用控制技术来降低输出CMV或其谐波分量的幅度。考虑到传统的PWM控制策略在矢量合成中使用零电压矢量,从而产生高幅值CMV,研究人员提出了主动零状态PWM(AZSPWM)策略[16,17]、近状态PWM(NSPWM)策略[18,19]、远程状态PWM(RSPWM)策略[20,21]、断续PWM(DPWM)策略[22]等多种改进的PWM技术。这些方法通过减少或消除零电压矢量来减轻高幅值CMV;然而,它们可能会遇到电流谐波升高或线性调制范围受限等问题。Xu等人[23]提出了一种适用于全线性调制范围的通用三状态PWM策略,其开关频率仅为空间矢量PWM(SVPWM)策略的三分之二。并在不同的功率因数条件下分析了电流谐波失真情况。
然而,大多数基于传统CMV抑制调制(Reduced Common Mode Voltage PWM,RCMV-PWM)的方法忽略了死区对CMV的影响。Zhou等人[24]提出了一种考虑死区效应的AZSPWM1调制策略。该方法直接根据三相参考电压确定电压矢量扇区,通过调整电力开关的开关时机来消除共模尖峰电压。Dabour等人[25]提出了一种根据CMV幅度和调制域要求在PWM调制策略之间切换的方法。Guo等人[26]总结了在不同非零电压矢量之间切换时产生CMV尖峰的非零电压矢量组合。虽然设计了一种能够消除CMV尖峰的死区预测电流控制方法,但这种方法会降低电流控制精度。
此外,通过引入电流预测控制可以避免CMV尖峰的产生,从而降低CMV[27]。Li等人[28]为电动汽车中使用的永磁同步电机(PMSM)设计了一种改进的模型预测控制(MPC)方案,考虑了在固定直流母线电压条件下的调制策略局限性。该方案在可变直流母线电压条件下抑制了CMV。通过最小化电流谐波作为目标函数来计算最佳参考直流母线电压。然而,这需要添加DC-DC转换器组件,从而增加了硬件成本。Guo等人[29]提出了一种基于混合矢量预选策略的CMV抑制方法。结合预选策略,该方法可以在死区内消除CMV尖峰,但会失去生成这些CMV尖峰的合成电压矢量,导致电流控制精度下降。
传统的CMV抑制PWM策略存在电流谐波较高或线性调制范围有限的问题。此外,常见的NSPWM策略的线性电压调制范围较窄,仅适用于高调制域。为了解决这些问题,本研究提出了一种考虑死区效应的多矢量近状态PWM(MNSPWM)策略,该策略具有宽的线性电压调制范围和较低的电流谐波。首先,基于调制域的划分和统一的占空比表示规则,构建了一种无零序参考电压的空间合成架构。其次,通过开关序列优化和载波比较脉宽调制技术简化了策略的实现。随后,为不同的电流扇区设计了多矢量序列组和自适应过渡带宽以抑制CMV尖峰。在调制域内,CMV的幅度被完全降低到 Udc/6 以下,从而提升了系统的动态响应性能。最后,通过仿真分析和实验验证,评估了所提出策略在动态和静态工作条件下的可行性和有效性。