季高， 付光晶， 張峰， 張士文

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

近年來，在很多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，例如：石油開采、電動/混合動力汽車和航空航天等，常常需要對二臺電機進行高性能的獨立控制[1]。為了降低系統(tǒng)成本和減小系統(tǒng)的體積，很多學(xué)者做了相關(guān)研究。目前共有三種典型的拓撲，采取的方式都是對傳統(tǒng)的幾種逆變器拓撲(如三相六開關(guān)逆變器或是三相四開關(guān)逆變器)做相應(yīng)的變化，然后再提出對應(yīng)的改進后的SPWM或SVPWM算法。

文獻[2-3]提出了一種四橋臂的拓撲，整流橋采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，逆變橋有四個橋臂，每個橋臂上有兩個開關(guān)管，采用的是兩個傳統(tǒng)四開關(guān)逆變器共用直流母線電容的方式，兩個四開關(guān)逆變器都使用SVPWM控制，四開關(guān)逆變器的直流電壓利用率只有50%，且兩臺電機共用直流母線電容會造成電容中點電壓波動，所以兩臺電機的受控效果(如電機的額定狀態(tài)下穩(wěn)定運行效果和動態(tài)運行效果)會受到影響。文獻[4-5]提出了一種九開關(guān)拓撲，整流橋采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，逆變橋采用三個橋臂，每個橋臂上有三個開關(guān)管，兩臺電機共用中間三個開關(guān)管，電機1使用上面三個開關(guān)管加中間三個開關(guān)管共六個開關(guān)管，電機2使用下面三個開關(guān)管加中間三個開關(guān)管共六個開關(guān)管。采用的控制方式是當(dāng)電機1正常工作時，下面三個開關(guān)管全部導(dǎo)通，電機2用零矢量控制；當(dāng)電機2正常工作時，上面三個開關(guān)管全部開通，電機1用零矢量控制。顯然這種控制方式很難實現(xiàn)對兩臺電機的獨立控制。文獻[6]提出了一種五橋臂拓撲，整流橋采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，逆變橋有五個橋臂，其中一個橋臂是兩臺電機的公用橋臂與兩臺電機的c相相連，另外四個橋臂分別與兩臺電機的a相和b相相連。同時還提出了一種SPWM的調(diào)制方式，這種調(diào)制方式下的五橋臂拓撲不存在四橋臂拓撲電容中點電壓波動的問題，也不存在九開關(guān)拓撲很難獨立控制的問題，但是其直流電壓利用率只有50%。

本文首先解釋了傳統(tǒng)五橋臂拓撲中逆變橋所采用的調(diào)制方式，然后引出了新型的五橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，緊接著介紹了該拓撲所使用的控制策略，最后在MATLAB/Simulink 中建立含雙電機負載的仿真模型，對所述改進的拓撲的優(yōu)越性和可行性進行了驗證。

1 傳統(tǒng)五橋臂拓撲及其逆變器側(cè)調(diào)制方式

傳統(tǒng)的五橋臂拓撲如圖1所示，整流器拓撲側(cè)采用傳統(tǒng)的單相不控整流橋，由四個二極管D1～D4組成，逆變器拓撲側(cè)使用10個開關(guān)管。通過S1～S6構(gòu)成電機M1的三相六開關(guān)逆變器，通過S1，S2， S7～S10構(gòu)成電機M2的三相六開關(guān)逆變器，其中 S1，S2是公用的開關(guān)管。

對于傳統(tǒng)的三相六開關(guān)逆變器的SPWM算法，若給定頻率為f，可設(shè)三相給定電壓為:

Va*=Vm·sin(2πft)

(1)

Vb*=Vm·sin(2πft-2π/3)

(2)

Vc*=Vm·sin(2πft+2π/3)

(3)

把三相給定電壓Va*、Vb*、Vc*減去同一個偏置電壓同樣可以作為各相的調(diào)制波，例如，如圖2把三相給定電壓同時減去Vc*，則三相的調(diào)制波分別為：

VLc*=0

(4)

VLa*=Va*-Vc*

(5)

VLb*=Vb*-Vc*

(6)

圖1 傳統(tǒng)五橋臂拓撲

圖2 傳統(tǒng)五橋臂拓撲逆變器拓撲側(cè)的三相調(diào)制波

在這種調(diào)制方式下，傳統(tǒng)五橋臂的直流電壓利用率每臺電機都只能達到50%，當(dāng)對電機負載要求較高時，直流電壓可能會不夠用，為此本文提出了一種新型的五橋臂拓撲。

2 新型五橋臂拓撲

新型五橋臂拓撲如圖3所示，逆變器拓撲側(cè)采用和傳統(tǒng)五橋臂一樣的構(gòu)造和連接形式，整流器拓撲側(cè)由二個二極管D1和D2以及逆變器側(cè)的公用開關(guān)管S1和S2組成。

圖3 新型五橋臂拓撲

逆變器拓撲側(cè)采用的調(diào)制方式與傳統(tǒng)五橋臂一樣，所以其直流電壓利用率只能達到50%，整流器拓撲側(cè)是一種倍壓整流電路，其等效電路如圖4所示，根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓極性和網(wǎng)側(cè)電流流向，S1和S2的開關(guān)狀態(tài)共有四種工作模式，如圖5所示。在這種整流側(cè)拓撲下，直流側(cè)母線電壓可以達到倍壓的效果，從而解決了傳統(tǒng)五橋臂直流電壓利用率低和直流母線電壓不夠用的問題。

圖4 新型五橋臂拓撲整流側(cè)等效電路

圖5 新型五橋臂拓撲整流側(cè)四種工作模式

3 控制策略

基于改進的雙電機逆變器拓撲的單臺電機的矢量控制策略的框圖如圖6 所示，其與傳統(tǒng)矢量控制策略[7]相似，圖中id電流給定根據(jù)弱磁控制id電流軌跡方程計算得到，iq電流給定由轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過一個PI 控制器后得到，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制。因為兩臺電機使用的矢量控制策略類似，所以圖6僅表示單臺電機的矢量控制策略。

圖中的id電流軌跡方程由電壓極限圓方程[8]推得，推導(dǎo)過程如下：

(7)

式中：Vom為電機M1/電機M2可以達到的相電壓基波幅值；ω為電機1/電機2的電角速度，rad/s；Ra和Ia分別為A相的相電阻和相電流；Ud和Uq分別為各相電壓的直流分量和交流分量；φd和φq分別為直流磁通分量和交流磁通分量，Wb/m2。

忽略電阻壓降，近似可得：

(8)

進而可得id軌跡方程為：

(9)

圖6 基于新型五橋臂拓撲的PMSM矢量控制框圖

4 系統(tǒng)仿真驗證

按照圖3搭建基于改進的雙電機逆變器的PMSM矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。電機Motor1的參數(shù)如表1所示，電機Motor2的參數(shù)如表2所示。按第1節(jié)所述調(diào)制方式和第3節(jié)的控制策略建立對應(yīng)的控制系統(tǒng)。

采用的網(wǎng)側(cè)電壓為幅值為311 V工頻正弦波，各硬件參數(shù)分別如下：輸入電感L為1 mH，電容組選用兩個470 μF進行串聯(lián)，開關(guān)器件為600 V，25 A的IGBT，開關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz。

表1 電機Motor1參數(shù)

表2 電機Motor2參數(shù)

電機Motor1的轉(zhuǎn)速給定為斜坡增加至額定轉(zhuǎn)速5 400 r/min，2 s后跳變至2 000 r/min，負載轉(zhuǎn)矩初始為1 N·m，5 s后跳變至額定轉(zhuǎn)矩2.38 N·m；電機Motor2的轉(zhuǎn)速給定為斜坡增加至額定轉(zhuǎn)速850 r/min，3 s后跳變至500 r/min，負載轉(zhuǎn)矩初始為4 N·m，4 s后跳變至額定轉(zhuǎn)矩6.3 N·m。相應(yīng)的波形如圖7～圖13所示。

由圖7可知，直流母線電壓可以達到600 V左右，比傳統(tǒng)五橋臂理想狀態(tài)下的311 V多了近一倍。

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓Uin波形

由圖8～圖13可知，在改進的雙電機逆變器的控制下，電機能夠很好地跟隨給定轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)矩，具有良好的動態(tài)性能，且可以發(fā)現(xiàn)電機Motor1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩及id、iq的波動只發(fā)生在2 s和5 s時，所以電機Motor2的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變不會影響電機Motor1的運行，相應(yīng)地，電機Motor1的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩突變不會影響電機Motor2的運行，可見這兩臺電機是被獨立控制的。

圖8 電機Motor1的轉(zhuǎn)速跟蹤波形

圖9 電機Motor1的轉(zhuǎn)矩跟蹤波形

圖10 電機Motor1的id、iq跟蹤波形

圖11 電機Motor2的轉(zhuǎn)速跟蹤波形

圖12 電機Motor2的轉(zhuǎn)矩跟蹤波形

圖13 電機Motor2的id、iq跟蹤波形

5 結(jié)束語

本文指出了傳統(tǒng)雙電機逆變器拓撲存在的問題，在此基礎(chǔ)上針對傳統(tǒng)五橋臂拓撲提出一種改進的雙電機逆變器拓撲。通過保持逆變橋拓撲不變，改變整流橋拓撲來彌補傳統(tǒng)五橋臂拓撲中直流電壓利用率低的問題。最后在Simulink環(huán)境下進行了仿真，驗證了改進的雙電機逆變器拓撲的可行性和優(yōu)越性。仿真結(jié)果表明,所提逆變器拓撲擁有良好的動態(tài)性能，且解決了傳統(tǒng)五橋臂拓撲電壓利用率較低的問題。