王 晶，葛寶川，閆紅廣

(海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東 煙臺 264001)

0 引 言

艦船電力推進、飛機電力作動、造紙、鋼鐵、塑料等應(yīng)用場合，常常需要兩臺或多臺相同或不同運行狀態(tài)的電機獨立運行，譬如卷繞機系統(tǒng)，放卷機電機大部分時間運行在制動發(fā)電狀態(tài)，而收卷機電機則運行在電動狀態(tài)，如果能夠采用單逆變器同時驅(qū)動這兩臺不同狀態(tài)電機的獨立運行，則放卷機電機所發(fā)出的能量能直接被收卷機電機所全部或部分地利用，不必經(jīng)逆變器流通或經(jīng)逆變器反饋到直流母線的能量大大減小，這樣同時驅(qū)動這兩臺電機的同一逆變器的容量就不必過大。因此，需要研究單一逆變器驅(qū)動下的多臺電機解耦控制的問題[1-3]。

根據(jù)多相電機的運行機理，可以通過多電機串聯(lián)在同一臺逆變器上，在同一驅(qū)動和控制系統(tǒng)中實現(xiàn)多臺多相電機的獨立運行。這種新型系統(tǒng)的新穎之處是采用一套DSP平臺同時控制一臺逆變器驅(qū)動的多臺串聯(lián)聯(lián)結(jié)的多相PMSM，在同一變頻電源供電下實現(xiàn)多臺電機的解耦控制，可以節(jié)省驅(qū)動控制裝置元器件數(shù)量、降低系統(tǒng)的成本，有助于減小多相驅(qū)動系統(tǒng)的外圍電路 以及降低系統(tǒng)的體積、重量[4-5]。本文主要研究一種單逆變器驅(qū)動兩臺雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的載波調(diào)制PWM技術(shù)(SPWM)，包括數(shù)學(xué)建模、電壓補償以及電壓給定值的疊加方法、電流限制方法、直流母線電壓的分配方法以及注入零序信號的直流母線電壓利用程度的改善策略等，并通過仿真驗證可行性。

1 雙Y移串聯(lián)系統(tǒng)的控制技術(shù)

單逆變器(VSI)驅(qū)動兩臺雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的定子繞組連接關(guān)系如圖1所示[6]。

圖1 雙Y移 PMSM的定子繞組串聯(lián)關(guān)系圖

則VSI輸出電壓與串聯(lián)電機之間的疊加關(guān)系為

(1)

下標(biāo)1和2分別代表兩臺串聯(lián)聯(lián)結(jié)的電機。

VSI輸出電流與電機定子電流之間的關(guān)系為

(2)

1.1 基于載波調(diào)制PWM的矢量控制系統(tǒng)

id=0矢量控制系統(tǒng)如圖2所示。將采樣的六相VSI實際電流值，利用式(3)給出的變換矩陣[T]算法分別形成αβ子空間的電流和z1z2子空間的電流，它們分別控制兩臺串聯(lián)的PMSM；再根據(jù)各自的光電編碼盤采樣出兩臺PMSM的位置信號，既可進一步得到各臺PMSM的轉(zhuǎn)速采樣值，也可進行相應(yīng)的坐標(biāo)變換之用，即將PMSM1的αβ子空間的iα、iβ變換為id1、iq1值，將PMSM2的iz1、iz2變換為id2、iq2值，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下分別對兩臺雙Y移30°PMSM按照定子激磁電流分量id=0的控制策略進行轉(zhuǎn)速控制。

圖2 基于載波調(diào)制的 矢量控制系統(tǒng)

(3)

其中，θ=30°。在形成控制變量時，應(yīng)該考慮兩臺串聯(lián)電機的漏感電壓所產(chǎn)生的耦合因素,如圖2中PMSM1的ed、eq，PMSM2的ed2、eq2。具體的表達式分別表示為[7]

ed1=-ωr1L1iq1,eq1=ωr1L1id1+ωr1ψf1

(4)

ed2=-ωr2L2iq2,eq2=ωr2L2id2+ωr2ψf2

(5)

這樣，用來控制PMSM1的電壓給定值為

(6)

用來控制PMSM2的電壓給定值為

(7)

1.2 電流限制方法

兩臺串聯(lián)PMSM共用同一臺逆變器驅(qū)動，但是，這兩臺PMSM為了滿足各自的運行條件要求，需要從逆變器電壓和電流中各取所需，逆變器輸出到負載的最大電流是由所選功率開關(guān)器件的特性和冷卻條件決定的，兩臺串聯(lián)PMSM的電流限制表示為[8]

(8)

每臺PMSM的控制電流最大值分別表示如下

(9)

(10)

1.3 SPWM的調(diào)制策略

SPWM控制逆變器導(dǎo)通與關(guān)斷的調(diào)制信號與兩臺串聯(lián)PMSM的給定電壓關(guān)系為

(11)

PMSM1和PMSM2的參考相電壓分別設(shè)定為

(12)

(13)

零序信號zs在-Udc/2-uMIN≤zs≤Udc/2-uMAX范圍內(nèi)變化[8]，有：

zs=-0.5(uMAX+uMIN)

(14)

其中,

因此，將zs注入到SPWM的調(diào)制信號后，有助于提高直流母線電壓利用率：

(15)

2 仿真研究

首先對該串聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化解耦控制仿真研究，設(shè)串聯(lián)PMSM的參數(shù)為：rs1=rs2=2.875Ω，L1=L2=8.5 mH，ψf1=ψf2=0.175Wb，p1=p2=4，J1=J2=0.0089 kg/m2。

仿真1：PMSM1、PMSM2分別工作在負載轉(zhuǎn)速300 r/min、500 r/min，均帶5 Nm的負載，在0.8 s時刻PMSM1從300 r/min反轉(zhuǎn)至-300 r/min。兩臺電機的運行性能如圖3所示。

圖3 變速運行性能

仿真分析如下：

(1)PMSM1變速過程中，對PMSM2沒有任何影響。(2)在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩與帶負載的大小關(guān)系一致。(3)由于PMSM1和PMSM2均帶負載運行，逆變器輸出電流包含了PMSM1和PMSM2的電流，因此，呈現(xiàn)不規(guī)則的電流波形。

仿真2：兩臺電機分別工作空載下，轉(zhuǎn)速分別為400 r/min和200 r/min，在0.5 s對PMSM2加負載8 Nm的階躍負載力矩，穩(wěn)定運行后再將負載力矩去掉，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 變負載運行性能仿真

通過對仿真結(jié)果分析可見：若某一臺串聯(lián)PMSM的負載變化時，其轉(zhuǎn)速會有微小的脈動，并能夠快速地恢復(fù)到原來設(shè)定值，其電磁力矩和力矩電流分量也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，在一臺PMSM的負載力矩變化時，對與其串聯(lián)的另一臺PMSM的轉(zhuǎn)速和電磁力矩均沒有產(chǎn)生任何變化，可見兩臺串聯(lián)PMSM的運行是獨立的。

3 結(jié) 語

本文研究了新型的兩臺雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的載波調(diào)制PWM控制技術(shù)，包括電壓補償以及電壓給定值的疊加方法、電流限制方法以及注入零序信號的直流母線電壓利用程度的改善策略等內(nèi)容。并通過樣機的變速、變載仿真進行了可行性驗證，證明了在一臺PMSM的轉(zhuǎn)速或負載發(fā)生變化時，對另一臺PMSM的運行沒有產(chǎn)生任何變化。