雙Y移30°PMSM串聯系統獨立解耦控制

劉華崧，孫登亞，劉陵順，閆紅廣，孔德彪

（1.海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001； 2.海軍第91291部隊，海南三亞 572011）

雙Y移30°PMSM串聯系統獨立解耦控制

劉華崧1，孫登亞2，劉陵順1，閆紅廣1，孔德彪1

（1.海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001； 2.海軍第91291部隊，海南三亞 572011）

雙Y移30?永磁同步電機（PMSM）雙電機串聯系統是一種新型的多電機傳動系統，其中電機1運行在α-β平面上，電機2運行在x-y平面上。本文研究了該串聯系統一種新的串聯方式，通過坐標變換建立起兩臺六相永磁同步電機串聯驅動系統的數學模型，用數學方法證明了該系統的可行性，并進行了仿真驗證。關鍵詞：雙Y移30° PMSM雙電機串聯解耦控制

0　引言

隨著電力電子技術的發展，由單逆變器供電多臺多相電機串聯系統在日常生活中得到廣泛的應用，尤其是在鋼鐵、塑料、紡織、機車牽引等工業場合具有潛在的應用前景［1］。所以該系統的研究受到越來越多的關注。與單相或者三相電機相比，多相電機串聯系統有著明顯的優勢［2］：在限制供電電壓的場合，多相電機串聯系統能夠有效的解決大功率需求的問題；由于相數增加，電機轉矩脈動減小、脈動頻率增加，低速特性得到很大改善，振動和噪聲得到明顯減小，整個驅動系統的可靠性大大提高相數增加。同時，如果多臺電機由單一逆變器供電，就會減少了逆變器支路數量，提供了直接利用制動能量的可能。本文以兩臺雙Y移30?六相PMSM串聯系統為研究對象，在不同的坐標系下對該系統建立數學模型，并進行了變速變載運行的仿真分析，驗證了雙Y移30°PMSM雙電機串聯系統獨立解耦運行的可行性。

該串聯系統有明顯的控制優勢［3］：一是兩臺電機的定子繞組可以過濾另一臺電機的諧波電流，且可以直接互相利用對方的制動能量，而不需要通過逆變器反饋到直流母線上，這就很大程度上降低了逆變器的裝置容量。二是本文驗證了這種串聯系統的兩臺電機可以獨立解耦運行，按照圖1相序轉換規則進行串聯，由一個六相的逆變器供電驅動，使得驅動、控制平臺及外圍電路明顯減少。

工作原理是：通過解耦變換，可以把自然坐標下的電機變量變換到相互正交的兩維子平面α-β和x-y平面，兩個正交的一維子平面01-02平面。每臺雙Y移30?PMSM都僅需α-β平面的電流分量就可以產生磁鏈和轉矩，x-y平面的定子電流分量用來控制第二臺PMSM，01-02平面的電流分量將不產生轉矩。由于兩臺串聯PMSM的控制電流所在平面相互正交，因此只要兩臺六相PMSM可以實現解耦控制。

圖1　兩臺雙Y移30?PMSM串聯方式

1　兩臺雙Y移30度PMSM雙電機串聯系統數學模型

根據多相電機坐標變換的一般理論，對對稱六相PMSM串聯三相PMSM研究分析時需要用到矢量空間變換矩［4］。

串聯系統的結構圖如圖2所示：

圖2　矢量控制的兩電機串聯結構圖

按照圖1所示的相序轉換規則，六相逆變器所輸出得電壓、電流與兩臺六相電機各相的相電壓、電流關系可表示如下［5］：

由于雙電機串聯系統的定子電流時設定在α-β平面和x-y平面中，而轉矩電流iq則是在d-q旋轉坐標系中的電流分量，所以需要進行旋轉坐標變換，將電流和電壓等變量從α-β平面和x-y平面的固定坐標系變換到d-q同步旋轉坐標系中。

在PMSM1中，將定子電流矢量由α-β坐標系變換到同步旋轉的d1-q1坐標系通過坐標變換如下：

上式所進行的坐標變換是將α-β繞組變換成同步旋轉的d1-q1換向器繞組。通過該變換，在d1-q1坐標系中，就可以將兩個PMSM都等效直流電動機。

第二臺PMSM情況與第一臺PMSM情況相同。

所以，雙Y移30?永磁同步電機串聯系統中可以通過旋轉坐標變換，得到了轉矩電流iq，而te與iq間具有線性關系。在旋轉坐標變換的基礎上在采取有效的控制策略，該串聯系統當中的每一臺電機都可以達到他勵直流電動機的效果。

根據前面分析可得到六相靜止坐標系變換到d-q旋轉坐標系的變換矩陣［T］abc/dq為：

則六相永磁同步電機解耦數學模型如下：解耦電壓方程為：

在上式中ud、uq、uz1、uz2以及id、iq、iz1、iz2分別為六相永磁同步電機等效的定子電壓和定子電流，R為電阻，φd、φq、φz1、φz2分別為六相永磁同步電機等效的定子磁鏈，ω1為角速度。解耦磁鏈方程如下：

在上式中Ld為六相永磁同步電機等效的直軸電感，Lq為六相永磁同步電機等效的交軸電感。

本文研究的是面貼式六相永磁同步電機，其電感關系可表示為：Ld=Lq=3Lm+L1s，Lz1=Lz2=L1s

則對六相靜止坐標系下的電機方程進行坐標變換可得：

不考慮轉子阻尼繞組的情況下，根據上式可得在d-q坐標系下電壓表達式為：

電磁轉矩表達式為：

上式中，P1，2P為PMSM1和PMSM2的極對數

2　串聯系統仿真分析

本文采取較為簡單的間接轉子磁場定向控制方式，如圖3所示［6］。

對系統仿真參數設定如下：

兩臺電機的磁鏈控制電流d 軸分量為1.5 A，最大轉矩為17.5 N/m，積分常數Ki=100，滯環寬度h=0.1A，比例常數Kp=5直流電壓U=300 V，

根據圖3-4可以看到，兩個間接轉子并聯運行，兩臺永磁同步電機的輸出相電流定值可以表示如下：

式中的右邊電流包括兩套幅值和頻率可以相同也可以不同的正弦量的穩態運行狀態，它們根據相序轉換的規律相加的。串聯系統當中國的每臺六相永磁同步電機的每一相正弦電流都可以分解成兩部分，其中一部分控制第一臺PMSM的α-β力矩磁通電流分量，同時另一部分控制第二臺PMSM的x-y電流分量。

基于MATLAB/SIMULINK驅動系統的仿真結果如下：

設定PMSM2每秒的轉速為500 轉，PMSM1初始速度為每秒600 轉，在0.35 s開始PMSM1逐漸下降到每秒200 轉，得到兩臺電機轉速變化及q軸電流值變化如圖4-7所示。

圖3　雙Y移30?PMSM串聯系統轉子磁場定向控制策略

圖4　電機1的轉速變化

圖5　電機2的轉速變化

圖6　電機1的q軸電流值

圖7　電機2的q軸電流值

3　結論

通過仿真研究可以看出當電機1的轉速下降時，電機2的轉速不受任何影響；從圖6中可知，PMSM1的q軸電流分量在其本身轉速下降過程中從零急速下降到6.3A左右，中間隨著轉速的波動也存在一定的波動，最后當轉速穩定在每秒200轉時，q軸電流分量又穩定在零值上，從圖7可知，PMSM2的q軸電流一直沒有變化。由此，可以得出結論：第一臺電機的轉速變化對于第二臺電機的運行沒有任何影響。所以兩臺電機都可以實現獨立解耦運行。

［1］Liu Lingshun.Miao Zhengge，Zhang Haiyang.Variable speed simulation of symmetrical six-phase PMSM series connect three-phase PMSM drive System［C］.International conference on computer，electrical and systems science and engineering cesse，423-427.

［2］Singh G K.Multi-phase induction machine drive research—a survey［J］.Electric Power Systems Research，2002，61（2）: 139-147.

［3］E.levi，A.lqbal，S.N.Vukosavic and H.A.Toliyat.Modelling and control of a five-phase series-connected two-motor drive［J］.IEEE Ind.Elec.Soc.Annual Meeting IECON，Roanoke，2003，VA:208-213.

［4］張華強，羅世軍，劉陵順。雙三相永磁同步電機多矢量控制技術研究［J］.電工傳動，2014，44（9）：3-8.

［5］Guyker W C.138 kV six-phase transmission system feasibility［C］.in Conf.Rec.1978 American power conf：1978:1293-1305.

Independent Decoupling Control of Double Y Shift 30? PMSM Series-connected System

Liu Huasong1，Sun Dengya2，Liu Linshun1，Yan Hongguang1，Kong Debiao1
（1.Department of Control Engineer，Naval Aeronautical and Astronautical University，YanTai 264001，Shandong，China； 2.The 91291th Unit of PLA，Sanya 572011，Hainan，China）

The double Y shift 30? PMSM two-motor series-connected system is a novel multi-machines system in which PMSM1 operates on α-β plane and PMSM2 operates on x-y plane.This paper presents a new series-connectedsystem.The mathematical model of series-connected system with two six-phase PMSM with dual-star windings is derived by coordinate transformation.The model can verify the concept of series- connected system in mathematic method,and builds the foundation for further simulation.

The double Y shift 30?; PMSM two-motor series-connected system; decoupling control

TM351

A

1003-4862（2015）11-0015-04

2015-09-09

劉華崧（1983-），男，碩士。研究方向：電力電子及電力傳動。