兩臺雙三相PMSM串聯系統改進的SVPWM控制研究

孔德彪，趙 強

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兩臺雙三相PMSM串聯系統改進的SVPWM控制研究

孔德彪1，趙 強2

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

建立了雙三相永磁同步電機（PMSM）串聯系統的數學模型，推導了一種離線計算基本電壓矢量作用時間的SVPWM調制方法，并將該方法應用于對雙三相PMSM串聯系統的控制過程中。在Matlab/Simulink環境下對變載運行的典型工況進行了仿真分析，驗證了這一方法的可行性。

雙三相PMSM 串聯系統 SVPWM 離線計算

0 引言

近年來，多臺多相電機串聯系統受到了越來越多的關注，因為該系統可以減少逆變器的數量，節約空間，在飛機、艦船等應用場合具有明顯的優勢。考慮到交流電機需要輸入正弦電流的最終目的是在電機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩，SVPWM 技術則是把逆變器和交流電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的運行[1]。在三相電機的控制過程中，SVPWM只需控制兩個基本適量即可，而要對多相電機串聯系統進行控制時則需要考慮多個工作平面，因此引入了多維多相SVPWM控制[2-4]。

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

1 雙三相PMSM串聯系統的模型

雙三相PMSM的模型可以經過坐標變換從自然坐標系下轉換到三個正交的平面、平面以及平面。平面的電流在電機中產生旋轉磁動勢，影響機電能量轉換，而平面的電流分量以及零序電流分量則不會產生旋轉磁動勢，與機電能量轉換無關，因此可以利用平面的電流分量來控制另一臺電機。將兩臺電機的定子繞組按照一定的相序轉換規則串聯在一起，并利用一定的控制策略，就可以實現兩臺雙三相PMSM串聯系統的獨立運行，即一臺電機的平面的電流成為另一臺電機的平面的電流，不會在令一臺電機中產生磁通/轉矩[6]。兩臺雙三相PMSM串聯的相序轉換規則如圖1所示[6]。

六相電壓源逆變器共有28=64種開關狀態，共形成64電壓矢量。這些開關狀態按照八進制數進行編碼，順序為，其中每個八進制數代表的開關模式，都可以轉換為6位二進制數，“1”代表逆變器的上橋臂開關導通，“0”代表下橋臂開關導通。例如編碼25就對應著，這64個電壓矢量中共有60個非零有效矢量。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串聯系統采用id=0的矢量控制策略以及基于最大四矢量的SVPWM調制方式進行控制的框圖如圖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算

2.2 基本電壓矢量作用時間計算的改進

由式（3）和式（4）可以看出，在電機控制過程中，計算基本電壓矢量的作用時間需要對矩陣進行求逆的運算，這在仿真過程中會占用較大的內存空間，增大運算時間，不利于系統的快速響應，而要解決這一問題，可以對基本電壓矢量的作用時間進行離線計算。當控制系統工作在平面上時，以參考電壓矢量位于平面上的A扇區為例，根據電壓矢量的分布圖可知，應選取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。

根據式（1）可以求得60個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）

根據圖4中各基本電壓矢量的分布情況，可得四個基本電壓矢量的作用時間應滿足（8）式。

解方程可得四個基本電壓矢量的作用時間為：

同理可得出參考電壓矢量位于其他扇區時各基本電壓矢量的作用時間，參考電壓矢量位于各扇區內基本電壓矢量的作用時間如表2所示。其中，1～6的值分別為

3 仿真分析

為了驗證該控制方法的可行性，對系統在電機 2突加負載以及卸負載時進行仿真分析。系統的仿真參數如下：電機參數：，，，，，；運動參數：，，，；直流電壓。電機1空載運行在240 rpm，電機2空載運行在260 rpm，在0.8 s時給電機2施加10 N*m的負載，在1.3 s時將負載卸掉，仿真結果如圖6所示。

由仿真結果可知，當第2臺電機突加負載以及突然移除負載時時，電機2的轉速均出現波動，而后迅速恢復至給定轉速；電機1的轉矩與轉速均未受影響；逆變器輸出電流在這一過程中也能夠根據負載的變化快速響應；而第一臺電機的轉速則沒有受到影響，由此可見，兩臺電機的運行情況是互不影響的，這一改進的SVPWM的控制方法的可行性得到驗證。

4 結論

本文建立了雙三相PMSM串聯系統的數學模型，推導了一種離線計算基本電壓矢量的作用時間的SVPWM控制方法，并在Simulink環境中針對電機2變載運行時進行了仿真分析，得出改進的SVPWM控制方法適用于雙三相PMSM串聯系統。

[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.

[2] Dujic D, Grandi G, Jones M, et al. A space vector PWM scheme for multifrequency output voltage generation with multiphase voltage-source inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(5):1943 - 1955.

[3] Ward E E, Ha Rer H. Preliminary investigation of an invertor-fed 5-phase induction motor[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1969, 116(6):980-984.

[4] Levi E, Jones M, Vukosavic S N, et al. Operating principles of a novel multiphase multimotor vector-controlled drive[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, 19(3):508-517.

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

[6] 劉陵順, 張海洋, 苗正戈. 雙Y移30°永磁同步電機串聯系統矢量控制仿真[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：現代電力電子與電力傳動技術。Email:438073212@qq.com