船舶電力推進(jìn)雙三相永磁同步電機(jī)電流控制策略研究

張平，耿攀，楊文鐵，徐正喜

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船舶電力推進(jìn)雙三相永磁同步電機(jī)電流控制策略研究

張平，耿攀，楊文鐵，徐正喜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

雙Y移30°永磁同步電機(jī)是一個(gè)強(qiáng)耦合的六維系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的解耦控制，將該系統(tǒng)經(jīng)坐標(biāo)變換，得到了兩套繞組之間的耦合關(guān)系，建立了雙三相永磁電機(jī)在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下系的電機(jī)模型，并基于此模型提出了帶電流補(bǔ)償?shù)碾p繞組電流控制策略，通過空間矢量PWM技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩和與定子電流進(jìn)行統(tǒng)一控制。仿真研究表明，該電流控制策略能夠減小定子諧波電流，減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

雙Y移30°永磁同步電機(jī) 雙DQ變換 電流諧波 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

0 引言

船舶電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)宜采用多相電動(dòng)機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)低壓大功率外，還具有系統(tǒng)可靠性高、靜動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等諸多優(yōu)點(diǎn)。但相數(shù)增加會(huì)增加電機(jī)制造以及變頻控制的難度，從而導(dǎo)致總體性能和研制效果不一定隨相數(shù)的增加而提高。因此，雙三相電動(dòng)機(jī)在船舶電力推進(jìn)上有廣泛應(yīng)用，比如說：“海神之子” (Albion) 級(jí)船塢登陸艦、“堡壘”(Bulwark)號(hào)登陸艦、Costa Victoria 號(hào)巡航郵輪、Solitaire 號(hào)鋪管船、Propero 號(hào)化學(xué)品船的電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)均采用了六相電動(dòng)機(jī)。雙Y移30°電機(jī)能夠有效地削弱甚至消除電機(jī)定子電流中5，7次諧波，因而成為當(dāng)前非常熱門的一種六相相電機(jī)結(jié)構(gòu)形式[1-5]。Yifan Zhao等[2]在推導(dǎo)建立了雙Y移30°感應(yīng)電機(jī)模型并提出了基于空間矢量解耦的統(tǒng)一DQ控制策略。該策略在不同的諧波子空間對(duì)電機(jī)諧波電流進(jìn)行有效的控制。楊金波等[6]推導(dǎo)建立了基于雙dq變換的雙三相永磁同步電機(jī)的模型，該模型可以看成是存在耦合關(guān)系的兩個(gè)三相電機(jī)的有機(jī)組合。本文在此基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步的理論推導(dǎo)，提出了雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流補(bǔ)償控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙dq變換下的各繞組電流解耦控制，并由兩套三相電壓型逆變器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，能有效地利用成熟的三相PWM技術(shù)。該解耦控制方法也適用于9相、12相等多相電機(jī)的建模，具有廣泛的適用性。仿真研究表明電流解耦控制策略能有效地減少定子電流諧波，抑制電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。

1 雙Y移30°永磁同步電機(jī)的雙DQ坐標(biāo)系下的模型

雙Y移30°永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。圖中，ABC三個(gè)繞組標(biāo)記為繞組1，將DEF三個(gè)繞組標(biāo)記為繞組2。繞組1在空間上超前繞組2的角度為30°。

圖1 雙Y移30°永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為了建立多相同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)條件如下[3]：

1）忽略磁路飽和、渦流、磁滯及趨膚效應(yīng)的影響；

2）氣隙磁場(chǎng)按正弦分布，忽略空間諧波磁場(chǎng)的影響；

3）永磁體磁勢(shì)恒定，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組；

4）不考慮頻率和溫度對(duì)電機(jī)參數(shù)影響；

5) 按電動(dòng)機(jī)慣例選取坐標(biāo)軸的正方向。

雙三相永磁同步電機(jī)的定子電壓和磁鏈方程如下[2]：

[u]、[i]和[ψ]分別為定子電壓、電流與磁鏈矩陣，相應(yīng)的定義如下：

式中： v, i, ψ(k =,,,,,)分別為定子相電壓、定子相電流和定子相繞組磁鏈；

參考楊金波在建立雙三相電機(jī)在雙dq坐標(biāo)系下模型的方法[5]，通過坐標(biāo)變換得到雙三相電機(jī)在雙dq坐標(biāo)系下的模型。

式(2)和(3)分別為雙三相電機(jī)在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓方程和磁鏈方程。繞組1的d1-q1軸與繞組2的d2-q2軸之間相互耦合。這是一個(gè)四階的非線性耦合系統(tǒng)，需要對(duì)其解耦，由此提出了基于雙dq解耦的電流控制策略。

2 雙Y移30°永磁電機(jī)的電流控制策略

根據(jù)(3)，可以得到

聯(lián)合(2)和(4)通過公式推導(dǎo)可以得到：

其中：

式(5)中，(x=d,q;y=1,2)為各坐標(biāo)軸解耦分量，其表達(dá)式如(6)所示。對(duì)將變換后的繞組1的d1-q1坐標(biāo)系中的分量與繞組2的d2-q2坐標(biāo)系中的分量完全解耦，進(jìn)而可以分別對(duì)繞組1和繞組2進(jìn)行控制電流控制。其控制框圖如圖（3）所示。圖中，繞組1的分量（isd1 ,isq1）與繞組2分量（isd2 ,isq2）分別由不同的DQ旋轉(zhuǎn)變換得到，電流調(diào)節(jié)器的輸出與補(bǔ)償量的和作為參考電壓，分別作用于兩個(gè)相同PWM調(diào)制器。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了兩套繞組定子電流的獨(dú)立控制。

圖3 基于空間矢量解耦的統(tǒng)一dq控制框圖

圖3為基于空間矢量解耦[2]的統(tǒng)一dq控制框圖，六相電流經(jīng)過統(tǒng)一dq變換[2]，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)平面下d軸電流sd和q軸電流sq以及諧波子平面Z1-Z2平面下的諧波電流z1和z2。z1和z2為雙三相電機(jī)的諧波電流，不會(huì)在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，因此不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，只會(huì)產(chǎn)生諧波電流，增加電機(jī)損耗[2]，故在此策略中，將z1和z2的給定值定為0。將電流調(diào)節(jié)器的輸出作為電壓參考值經(jīng)過六相空間矢量[4]觸發(fā)技術(shù)得到觸發(fā)脈沖。

圖4 是無電流補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略[5]，該策略將兩套繞組分別進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而采用非常成熟的三相SVPWM技術(shù)進(jìn)行控制。

圖4 無電流補(bǔ)償?shù)碾pdq控制框圖

3 仿真結(jié)果與分析

本文以一臺(tái)雙Y移300永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真研究。轉(zhuǎn)速給定始終為300r/min,給定負(fù)載17.5Nm。分別對(duì)基于空間矢量解耦的控制策略[2]，無電流補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略[5]和帶電流補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略進(jìn)行Matlab仿真。

仿真結(jié)果如圖5。

將圖5的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較圖量化得表1。將圖5的電流諧波比較圖量化得表2。表中THD及諧波分量均以其占基波（20 Hz）的百分比來表示。

對(duì)比仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，可以看出：

1）在相同轉(zhuǎn)速給定和給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，三種控制策略均能較好的實(shí)現(xiàn)雙Y移30°永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，穩(wěn)定電磁轉(zhuǎn)矩，其穩(wěn)態(tài)電流大小相同。

2）統(tǒng)一dq控制策略，無補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略和帶補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略的電流諧波分別為4.47%，8.36%和1.07%。統(tǒng)一dq控制策略的諧波電流主要集中在6m±1（m=1,3…）次諧波，而該次諧波產(chǎn)生的基波磁勢(shì)在兩套繞組中相互抵消，大大減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[2]。無補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略各次諧波值均較大，通過對(duì)各軸電流進(jìn)行了有效地補(bǔ)償，帶補(bǔ)償?shù)碾pdq策略下的相電流諧波明顯削弱。從表1的對(duì)比中可以看出，帶補(bǔ)償?shù)碾pdq控制策略下的電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)其他兩種策略更加的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文研究了雙Y移30o永磁同步電機(jī)的雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)模型。通過公式推導(dǎo)，提出了帶補(bǔ)償?shù)碾p同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制策略。該策略通過電流補(bǔ)償，對(duì)相互耦合的雙三相電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，將雙三相電機(jī)系統(tǒng)分解為兩個(gè)獨(dú)立的三相電機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)兩套繞組之間獨(dú)立的線性控制。仿真研究表明，帶補(bǔ)償?shù)碾pDQ控制策略能有效的補(bǔ)償繞組之間的耦合分量，抑制定子電流中的諧波分量，削弱電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)。該控制策略也可應(yīng)用到9相電機(jī)，12相電機(jī)等多相電機(jī)的控制中，具有廣泛的適用性。

A．統(tǒng)一DQ控制策略仿真結(jié)果B．無電流補(bǔ)償?shù)碾pDQ控制策略仿真結(jié)果C．帶電流補(bǔ)償?shù)碾pDQ控制策略仿真結(jié)果

（從上到下依次是定子A相電流，定子A相電流諧波分析，和電磁轉(zhuǎn)矩波形）

表1 電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較

表2 A相電流諧波分析結(jié)果比較

參考文獻(xiàn):

[1] E.A. Klingshirn. High phase order induction motors Part I-Description and Theoretical Considerations [J]. IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, 1983, 102(1): 47-53.

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[3] Radu Bojoi, Mario Lazzari, Francesco Profumo, and Alberto Tenconi. Digital field-oriented control for dual three-phase induction motor drives[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, 39(3): 752-760.

[4] 任遠(yuǎn)，章瑋. 雙Y移30°永磁同步電機(jī)空間矢量PWM技術(shù)的零矢量分配研究[D]. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院.

[5] 楊金波, 楊貴杰, 李鐵才. 雙三相永磁同步電機(jī)的建模與矢量控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2010(2).

The Control of the Current of Dual Three-phase Permanent Magnet Synchronous Motor for Ship Electric Propulsion System

Zhang Ping, Geng Pan, Yang Wentie, Xu Zhengxi

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China）

Abstract: Dual three-phase permanent magnet synchronous motor is a strong 6-D coupling system. In order to realize the decoupling control of the system, the dual coordinate transformations are applied to get the coupling relations between the two sets of windings. The motor model is established under the double synchronous rotating coordinate system and then the current control strategy is proposed based on winding current compensation.The rotating torque and stator current of DTP-PMSM is controlled consistently through the space vector PWM technology.Simulation results show that the control strategy of the current can decrease stator current harmonic, and reduce the electromagnetic torque ripple.

Keywords: dual three-phase permanent magnet synchronous motor; dual DQ transformation; current harmonic; electromagnetic torque ripple

中圖分類號(hào):TM351

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1003-4862（2014）12-0060-04

收稿日期：2014-06-23

作者簡(jiǎn)介：張平（1988-），男，工程師。研究方向：電機(jī)控制技術(shù)和變頻器控制。