孔德彪，趙 強(qiáng)

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兩臺雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)改進(jìn)的SVPWM控制研究

孔德彪1，趙 強(qiáng)2

（1.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì)，山東煙臺 264001；2.海軍駐貴陽地區(qū)軍事代表辦事處，貴州安順 561000）

建立了雙三相永磁同步電機(jī)（PMSM）串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了一種離線計(jì)算基本電壓矢量作用時(shí)間的SVPWM調(diào)制方法，并將該方法應(yīng)用于對雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的控制過程中。在Matlab/Simulink環(huán)境下對變載運(yùn)行的典型工況進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了這一方法的可行性。

雙三相PMSM 串聯(lián)系統(tǒng) SVPWM 離線計(jì)算

0 引言

近年來，多臺多相電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以減少逆變器的數(shù)量，節(jié)約空間，在飛機(jī)、艦船等應(yīng)用場合具有明顯的優(yōu)勢。考慮到交流電機(jī)需要輸入正弦電流的最終目的是在電機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，SVPWM 技術(shù)則是把逆變器和交流電機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的運(yùn)行[1]。在三相電機(jī)的控制過程中，SVPWM只需控制兩個(gè)基本適量即可，而要對多相電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)則需要考慮多個(gè)工作平面，因此引入了多維多相SVPWM控制[2-4]。

文獻(xiàn)[5]對兩臺雙三相PMSM的多維多相SVPWM控制進(jìn)行了研究，但在計(jì)算矢量作用時(shí)間時(shí)用到了求逆矩陣的方法，但該方法在仿真運(yùn)算時(shí)會占用較大的內(nèi)存空間，運(yùn)算時(shí)間較長，不利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)。針對這一問題，本文研究了一種改進(jìn)的離線計(jì)算矢量作用時(shí)間的SVPWM控制方法，并利用這一方法對雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的最大四矢量SVPWM控制進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的模型

雙三相PMSM的模型可以經(jīng)過坐標(biāo)變換從自然坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到三個(gè)正交的平面、平面以及平面。平面的電流在電機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，影響機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，而平面的電流分量以及零序電流分量則不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換無關(guān)，因此可以利用平面的電流分量來控制另一臺電機(jī)。將兩臺電機(jī)的定子繞組按照一定的相序轉(zhuǎn)換規(guī)則串聯(lián)在一起，并利用一定的控制策略，就可以實(shí)現(xiàn)兩臺雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，即一臺電機(jī)的平面的電流成為另一臺電機(jī)的平面的電流，不會在令一臺電機(jī)中產(chǎn)生磁通/轉(zhuǎn)矩[6]。兩臺雙三相PMSM串聯(lián)的相序轉(zhuǎn)換規(guī)則如圖1所示[6]。

六相電壓源逆變器共有28=64種開關(guān)狀態(tài)，共形成64電壓矢量。這些開關(guān)狀態(tài)按照八進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，順序?yàn)?，其中每個(gè)八進(jìn)制數(shù)代表的開關(guān)模式，都可以轉(zhuǎn)換為6位二進(jìn)制數(shù)，“1”代表逆變器的上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，“0”代表下橋臂開關(guān)導(dǎo)通。例如編碼25就對應(yīng)著，這64個(gè)電壓矢量中共有60個(gè)非零有效矢量。子空間中的空間電壓矢量以及子空間中的空間電壓矢量分別為：

對兩臺雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)采用id=0的矢量控制策略以及基于最大四矢量的SVPWM調(diào)制方式進(jìn)行控制的框圖如圖3所示。

2 多維多相SVPWM的原理

2.1 基本電壓矢量的選取與計(jì)算

2.2 基本電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算的改進(jìn)

由式（3）和式（4）可以看出，在電機(jī)控制過程中，計(jì)算基本電壓矢量的作用時(shí)間需要對矩陣進(jìn)行求逆的運(yùn)算，這在仿真過程中會占用較大的內(nèi)存空間，增大運(yùn)算時(shí)間，不利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)，而要解決這一問題，可以對基本電壓矢量的作用時(shí)間進(jìn)行離線計(jì)算。當(dāng)控制系統(tǒng)工作在平面上時(shí)，以參考電壓矢量位于平面上的A扇區(qū)為例，根據(jù)電壓矢量的分布圖可知，應(yīng)選取55、45、44、64作為基本電壓矢量，它們在平面以及平面的分布如圖4所示。

根據(jù)式（1）可以求得60個(gè)非零有效電壓矢量中幅值最大以及幅值最小的電壓矢量的幅值分別為

（5）

（8）

根據(jù)圖4中各基本電壓矢量的分布情況，可得四個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間應(yīng)滿足（8）式。

解方程可得四個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間為：

同理可得出參考電壓矢量位于其他扇區(qū)時(shí)各基本電壓矢量的作用時(shí)間，參考電壓矢量位于各扇區(qū)內(nèi)基本電壓矢量的作用時(shí)間如表2所示。其中，1～6的值分別為

3 仿真分析

為了驗(yàn)證該控制方法的可行性，對系統(tǒng)在電機(jī) 2突加負(fù)載以及卸負(fù)載時(shí)進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下：電機(jī)參數(shù)：，，，，，；運(yùn)動參數(shù)：，，，；直流電壓。電機(jī)1空載運(yùn)行在240 rpm，電機(jī)2空載運(yùn)行在260 rpm，在0.8 s時(shí)給電機(jī)2施加10 N*m的負(fù)載，在1.3 s時(shí)將負(fù)載卸掉，仿真結(jié)果如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)?shù)?臺電機(jī)突加負(fù)載以及突然移除負(fù)載時(shí)時(shí)，電機(jī)2的轉(zhuǎn)速均出現(xiàn)波動，而后迅速恢復(fù)至給定轉(zhuǎn)速；電機(jī)1的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速均未受影響；逆變器輸出電流在這一過程中也能夠根據(jù)負(fù)載的變化快速響應(yīng)；而第一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速則沒有受到影響，由此可見，兩臺電機(jī)的運(yùn)行情況是互不影響的，這一改進(jìn)的SVPWM的控制方法的可行性得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文建立了雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了一種離線計(jì)算基本電壓矢量的作用時(shí)間的SVPWM控制方法，并在Simulink環(huán)境中針對電機(jī)2變載運(yùn)行時(shí)進(jìn)行了仿真分析，得出改進(jìn)的SVPWM控制方法適用于雙三相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)。

[1] Levi E, Jones M, Vukosavic S N, et al. A novel concept of a multiphase, multimotor vector controlled drive system supplied from a single voltage source inverter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(2):320-335.

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[5] 苗正戈, 鹿柯柯, 劉陵順,等. 最大四矢量控制雙Y移30°永磁同步電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2011, 38(12):17-21.

[6] 劉陵順, 張海洋, 苗正戈. 雙Y移30°永磁同步電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)矢量控制仿真[J]. 兵工自動化, 2011, 30(9):38-40.

Research on Controlling Method of Two Dual Three-phase PMSMs Series-connected System Based on Improved SVPWM

Kong Debiao1, Zhao Qiang2

(1. Graduate Students’Brigade, Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001,Shandong, China; 2. Naval Representatives Office in Guiyang, Anshun 561000, Guizhou, China)

The mathematical model of the dual three-phase PMSM series system is established in this paper. A SVPWM modulation method to calculate offline action time of the basic voltage vector is deduced, and the method is applied to the control of the dual three-phase PMSM series-connected system. With Matlab/Simulink, the simulation and analysis are carried out for typical operating conditions of variable load operation, and the feasibility of this method is verified.

dual three-phase PMSMs; series system; SVPWM; offline calculating

TM351

A

1003-4862（2017）01-0043-06

2016-08-15

孔德彪（1992-），男，碩士研究生。研究方向：現(xiàn)代電力電子與電力傳動技術(shù)。Email:438073212@qq.com