雙三相永磁同步電機雙電機矢量控制

1、哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告雙三相永磁同步電機矢量控制技術(shù)開題報告1. 課題來源及研究目的和意義多電機驅(qū)動系統(tǒng)作為運動控制研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，廣泛應(yīng)用于地鐵，機車牽引，擠壓機組，機器人等應(yīng)用場合。而要推出性能優(yōu)良的機車牽引，機器人等工業(yè)驅(qū)動以及綜合電力艦船系統(tǒng)就需要解決同一直流母線電源和同一逆變器供電的多臺電機獨立運行問題1。在過去的二十多年，越來越多的研究人員關(guān)注研究多相電機，因為多相電機相對于傳統(tǒng)的三相電機存在諸多的顯著優(yōu)點，包括：減少轉(zhuǎn)矩脈動，降低直流母線電流諧波含量，潛在的高效率，降低各相功率，由于較高的容錯能力大大提高可靠性2。最常見的一種多相電機是雙三相電機3

2、，而雙三相永磁同步電機是目前研究較為廣泛的一種多相電機，與傳統(tǒng)的三相電機相比，雙三相電機將基波電流產(chǎn)生的最低次諧波磁勢提高到了11次，消除了對電機性能影響最大的5次、7次諧波磁勢，大大減少了電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提升了電機性能4。所以我以雙三相永磁同步電機為例來研究多相電機的多電機串聯(lián)控制。多相電機驅(qū)動控制策略中，最具影響力和代表性的是基于空間矢量解耦的矢量控制。矢量控制方式的實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。簡單的說，空間矢量控制就是通過坐標變換將交流電機模型等效為直

3、流電機，實現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調(diào)速。所以對雙三相永磁同步電機空間矢量控制技術(shù)的研究具有一定的研究意義。2. 國內(nèi)外雙三相電機矢量控制技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀1995年Yifan Zhao和T.A.Lipo等人從向量空間解耦的角度構(gòu)造了相移30°雙三相感應(yīng)電機的變換矩陣5。該方法通過適當?shù)淖鴺俗兓?，將自然坐標系下六維空間中的變量映像到新基下的六維空間，新的一組基形成三個相互正交的二維子空間，從而可以在每個子空間中分別進行控制，而且每一個子空間中的分量對應(yīng)于電機變量中一定次數(shù)的諧波。湖南大學的歐陽洪林和成蘭仙等人基于此種方法建立了雙三相永磁同步電

4、動機的數(shù)學模型，但其研究對象主要為隱極電機，使得電機模型簡化，不具備代表性。2003年Nelson、Wu和1997年Aghaebrahimi等人則從雙繞組的角度分別建立了雙三相感應(yīng)電機和同步電機的數(shù)學模型6,7。他們把雙三相電機看成是兩個三相電機的組合，用分析三相電機的方法來分析六相電機。所選用的變換矩陣為兩個Clarke變換矩陣或Park變換陣的組合。這種變換方法一般稱為雙d-q變換。上海海事大學的謝衛(wèi)、黃家圣以及哈爾濱工程大學的張敬南、劉勇、叢望基于這種方法對六相永磁同步電勵磁電動機進行了建模分析，并利用 MATLAB/SIMULINK軟件建立了其仿真模型，對其性能和參數(shù)影響做了系統(tǒng)的研究

5、，但是所建立的數(shù)學模型不精確，仿真效果并不理想。Wu將推導(dǎo)出的同步電機模型標么化處理后，得到了雙三相同步電機的等效電路圖。范子超等人在此基礎(chǔ)上運用戴維南定理，提出了與普通同步電機完全等效的單繞組模型，并用理論分析和電壓諧波分別證明和驗證了等效模型的正確性。最后，仿真結(jié)果再次驗證了等效模型，并從起動過程、轉(zhuǎn)矩脈動、定轉(zhuǎn)子電流等方面與普通同步電機做了對比。2009年趙興濤以六相雙 Y 移 30°繞組永磁同步電動機為研究對象，詳細分析了其數(shù)學模型和工作原理，提出了一種新的控制方法，并最終開發(fā)出一套高性能、高可靠性的雙三相永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實現(xiàn)在多相電機驅(qū)動系統(tǒng)研究領(lǐng)域具有一定的

6、理論和實踐意義8。2010年1月孟超研究了雙Y移30°永磁同步電動機電壓空間矢量脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)的2種矢量選擇方式，提出一種新穎的空間矢量過調(diào)制技術(shù)9。過調(diào)制區(qū)域根據(jù)調(diào)制度分為4種模式。在過調(diào)制方式和中，對z1-z2電壓平面上的電壓矢量采用不同的優(yōu)化策略。依據(jù)電壓輸出矢量自身的特性，提出了一種易于DSP實現(xiàn)的尋找次優(yōu)解的方法。為進一步提高直流母線電壓利用率，過調(diào)制方式和采用兩電壓矢量調(diào)制，不再對z1-z電壓平面上的電壓矢量進行優(yōu)化。他通過仿真計算，對輸出電壓的波形和諧波成分進行分析。構(gòu)造基于低功耗定點數(shù)字信號處理器TMS320F28

7、12的7.5kW雙Y移30永磁同步電動機控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果證實了提出方法的正確性和可行性。2010年6月楊金波針對相移30°Y型連接雙三相永磁同步電機，分別采用雙d-q變換和矢量空間解耦的方法建立了電機的數(shù)學模型10。前者從兩套三相子系統(tǒng)的角度給出了電磁轉(zhuǎn)矩的表達式以及兩套繞組之間存在的耦合關(guān)系，后者則揭示了不同的電流諧波分量對機電能量轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的不同的作用。根據(jù)兩種不同的模型搭建了兩套雙三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，通過對兩種控制策略的比較分析，指出了兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系和在控制效果上的等價性。開環(huán)的仿真實驗對兩種建模方法的一致性進行了驗證，而閉環(huán)的仿真和實驗結(jié)果則表明兩種矢量控制方

8、案在相同的控制參數(shù)下具有一樣的控制性能。2012年劉陵順，張海洋，苗正戈1研究了SVPWM控制2臺雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)。一定數(shù)量的多相電機通過適當?shù)南嘈蜣D(zhuǎn)換規(guī)則串聯(lián)起來，使得該系統(tǒng)可以由1臺逆變器供電而實現(xiàn)對所有串聯(lián)電機的獨立控制。以1臺逆變器驅(qū)動2臺雙Y移30°PMSM的串聯(lián)為例，給出了串聯(lián)系統(tǒng)的工作原理，為實現(xiàn)兩電機的解耦運行，提出了一種新穎的SVPWM控制串聯(lián)系統(tǒng)的方法。分析了SVPWM基本原理的具體實現(xiàn)方法。在Matlab/Simulink環(huán)境下，結(jié)合id=0的矢量控制策略，對電機的變載，變速運行進行了分析，驗證了所提出的SVPWM控制策略的可行性。2014

9、年Jussi Karttunen, Samuli Kallio, Pasi Peltoniemi等人研究了雙三相永磁同步電機的解耦矢量控制2。雙三相電機與傳統(tǒng)的三相電機相比有許多優(yōu)點。然而，對于這類電機，目前的挑戰(zhàn)是，使用電流控制很難產(chǎn)生足夠的驅(qū)動能力。本文提出了一種改進的雙三相永磁同步電機的矢量控制方案。本研究包括關(guān)鍵控制部分的詳細解決方案，如：坐標變換，電流控制回路的解耦和調(diào)制。利用有限元分析和試驗結(jié)果評價了所提出的控制方案的性能。結(jié)果表明，該方案可以產(chǎn)生期望的動態(tài)電流控制和保證平衡電流繞組之間的共享。此外，所提出的解決方案能夠減少由電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電流諧波。然而，這個問題只是部分地解

10、決了，因為徹底消除諧波是不可實現(xiàn)的。但是，所提出的控制方案克服了許多其他控制解決方案中發(fā)現(xiàn)的缺點。改善控制性使得雙三相驅(qū)動的全部優(yōu)點被有效利用，即使在苛刻的應(yīng)用條件下。3. 主要研究內(nèi)容3.1 雙三相永磁同步電機靜止坐標系下數(shù)學模型在三相電機數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，分析雙三相永磁同步電動機的繞組結(jié)構(gòu)，雙三相永磁同步電機的定子由兩套Y型連接的三相對稱繞組組成，兩套繞組在空間上相距30°電角度（一般兩套繞組的中性點N1，N2是相互獨立的）。由此可建立雙三相永磁同步電動機在自然坐標系下的數(shù)學模型8。靜止坐標系下的數(shù)學模型如下：電壓方程： (3-1)其中為定子各相電壓（V）；為定子各相電流（A）；

11、為定子各相磁鏈（Wb）；,其中為定子每相電阻值（）磁鏈方程： (3-2)其中為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈（Wb）；為定子電感矩陣，包括繞組自感和各繞組間的互感（H）；各相磁鏈作用系數(shù)，為定子相繞組與轉(zhuǎn)子軸線的夾角（rad）； (3-3) (3-4)其中為定子各相漏感（H）；為任意兩相繞組間的互感最大值（H）。電磁轉(zhuǎn)矩方程： (3-5)其中為電機的極對數(shù)。運動方程： (3-6)其中為負載轉(zhuǎn)矩（）；為轉(zhuǎn)動慣量（）；為粘滯系數(shù)；為電機的機械角速度（rad/s）。3.2 雙三相永磁同步電機解耦旋轉(zhuǎn)坐標系下數(shù)學模型主要分析雙三相永磁同步電機在六相靜止坐標系下的數(shù)學模型，應(yīng)用矢量空間解耦理論，推導(dǎo)出矢量空間解耦矩陣，由

12、于雙三相永磁同步電機的矢量控制都是在旋轉(zhuǎn)坐標系進行的，所以需要將電機變量從六相靜止坐標系變換到解耦后的旋轉(zhuǎn)坐標系，推導(dǎo)出雙三相永磁同步電機在解耦旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型11，并指出對電機的控制等同于對d-q平面分量的控制，由此可將三相電機的控制策略經(jīng)擴展應(yīng)用到雙三相電機上。解耦旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型如下：電壓方程： (3-7)磁鏈方程： (3-8)其中為等效直軸電感（H），；為等效的軸電感（H），。電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (3-9)運動方程： (3-10)推導(dǎo)變換矩陣的方法：(1) 通過雙三相永磁同步電機的不同次數(shù)的諧波矢量形式定義一個諧波向量，找到一組彼此正交的六維矢量組成新的標準正交基，通過這組標

13、準正交基可以將這個六維系統(tǒng)內(nèi)的任意矢量和子空間線性表出10。根據(jù)這組標準正交基可以得到雙三相永磁同步電機從自然靜止坐標系轉(zhuǎn)換到軸系下的變換公式。再根據(jù)雙三相永磁同步電機從軸系下變換到軸系下的變換公式得到雙三相永磁同步電機的數(shù)學模型由靜止坐標系變換到軸系下的變換矩陣。 (2) 相移30°的雙三相電機繞組并不完全對稱，不能直接采用多相Clarke變換理論11。但是由于其本質(zhì)上是一個對稱十二相電機，可以先按照十二相電機來選取變換矩陣，由多相Clarke變換理論得到的十二相靜止變換矩陣，然后再利用各相電流和電壓之間的約束關(guān)系來進行簡化，得到從自然靜止坐標系轉(zhuǎn)換到軸系下的變換公式，進而得到雙三

14、相電機的變換矩陣，再根據(jù)雙三相永磁同步電機從軸系下變換到軸系下的變換公式得到雙三相永磁同步電機的數(shù)學模型由靜止坐標系變換到軸系下的變換矩陣。最后，根據(jù)雙三相永磁同步電機的坐標變換矩陣可以得到雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)的坐標變換矩陣如下。靜止坐標系轉(zhuǎn)換到軸下的變換公式： (3-11)軸系下變換到軸系下的變換公式： (3-12)靜止坐標系變換到軸系下的變換矩陣： (3-12)3.3 雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)定子繞組對稱分布的多相電機通過一定的相序轉(zhuǎn)換規(guī)則可以實現(xiàn)單逆變器驅(qū)動多電機串聯(lián)系統(tǒng)，其原因在于冗余自由度的存在，非對稱的多相電機同樣具有冗余自由度，也能實現(xiàn)此類控制方案。主要分析單

15、逆變器驅(qū)動雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)的運行原理，基于磁動勢分析法，研究雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)的相序轉(zhuǎn)換規(guī)則。對六相靜止坐標系下的電機模型通過變換矩陣進行解耦變換得到的矢量空間解耦數(shù)學模型與對稱多相電機經(jīng)過廣義Clark變換得到的數(shù)學模型具有相似的性質(zhì)：變換后得到的三對電流變量中，只有電流分量參與機電能量轉(zhuǎn)換，電流分量（相當于對稱電機中的電流分量）和電流分量只作為零序分量存在，因此，對定子繞組正弦分布的雙三相永磁同步電機，也能實現(xiàn)單逆變器驅(qū)動多電機串聯(lián)系統(tǒng)。由于只有一組電流分量，所以非對稱六相電機串聯(lián)系統(tǒng)中只有兩臺電機?？梢愿鶕?jù)六相自然靜止坐標系轉(zhuǎn)換到軸系下的變換矩陣的列來確定兩

16、臺電機的連接的方式。得到雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：圖1 單逆變器驅(qū)動雙三相PMSM雙電機串聯(lián)系統(tǒng)3.4 雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)矢量控制技術(shù)六相全橋逆變器共有2=64個空間電壓矢量，其中62個非零電壓矢量，個零電壓矢量。另外62個非零電壓矢量中有個矢量21(0 1 0 1 0 1)和42(1 0 1 0 1 0)為無效矢量，即或繞組所在橋首先對64個空間電壓矢量進行計算，通過計算結(jié)果繪出空間電壓矢量分布圖，如圖1圖2所示；然后是基本電壓矢量的選取與計算；最后對工作平面采用一定的方法進行選取。圖1 平面空間電壓矢量分布圖圖2 平面空間電壓矢量分布圖選取基本電壓矢量的方法：(

17、1) 最大兩矢量11如果只考慮與機電能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的平面內(nèi)的電壓矢量的合成，選取平面最外層的12個電壓矢量作為基本電壓矢量來合成參考電壓。(2) 最大四矢量10，11如果同時控制兩個子空間中的電壓矢量，僅選取兩個基本矢量是不夠的，至少應(yīng)該選用四個基本矢量才能夠完成對一個四維參考矢量的合成。通常選取平面幅值最大且相鄰的四個電壓矢量作為基本電壓矢量來合成電壓參考矢量。(3) 兩個最大矢量和兩個次大矢量10最大四矢量控制算法直流母線利用率較高，但電流諧波含量較大，如果選取平面兩個幅值最大的電壓矢量和同一方向上兩個幅值次大的電壓矢量作為基本電壓矢量來合成電壓參考矢量，能夠有效降低諧波含量，但它是以犧牲直

18、流母線利用率為代價的。工作平面的選?。簠⒖茧妷菏噶康倪x取必須能夠提高直流母線電壓的利用率，這里通過一個周期內(nèi)判斷-參考矢量和參考矢量的大小來決定開關(guān)矢量的選擇，即如果-平面的參考矢量大于-平面的參考矢量，則開關(guān)矢量由-平面的基本電壓矢量決定，反之，如果-平面的參考矢量大于-平面的參考矢量，則開關(guān)矢量由-平面的基本電壓矢量決定。參考電壓矢量的選擇流程。3.5 雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)仿真利用MATLAB仿真工具，采用基于的矢量控制策略，搭建雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)三相電機的工程設(shè)計方法設(shè)計其控制參數(shù)，通過仿真結(jié)果驗證控制方法的正確性和空間矢量控制方法下兩臺雙三相永磁

19、同步電動機的獨立運行。雙三相電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)框圖如下：圖1 雙三相電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)框圖4. 研究方案及進度安排，預(yù)期達到的目標研究方案：根據(jù)基本的電路和電磁感應(yīng)原理，推導(dǎo)出雙三相永磁同步電機的數(shù)學模型；采用矢量空間解耦的建模方法，建立雙三相永磁同步電機的矢量空間解耦數(shù)學模型；根據(jù)研究多相電機相序轉(zhuǎn)換規(guī)則的方法研究雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)的相序轉(zhuǎn)換規(guī)則，建立基于磁動勢分析法的相序轉(zhuǎn)換規(guī)則；采用SVPWM算法對雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)進行控制，使用Simulink仿真驗證雙三相永磁同步電機雙電機的獨立運行。進度安排：2013.12.16-2014.02.28: 查找閱讀參考文獻

20、并篩選一篇英文參考文獻翻譯，推導(dǎo)雙三相永磁同步電機的數(shù)學模型，研究串聯(lián)系統(tǒng)相序轉(zhuǎn)換規(guī)則和矢量控制技術(shù)；2014.03.01-2014.03.31: 撰寫開題報告，制作PPT； 2014.04.01-2014.05.10: 搭建仿真模型進行仿真實驗，撰寫中期報告；2014.05.11-2014.06.22: 完善前期設(shè)計并撰寫畢業(yè)論文；修改畢業(yè)論文，準備畢業(yè)答辯；2014.06.25-2014.06.27: 提交論文等材料。預(yù)期實現(xiàn)的目標：推導(dǎo)出雙三相永磁同步電機的數(shù)學模型和矢量空間解耦數(shù)學模型，研究明白雙三相永磁同步電機雙電機串聯(lián)系統(tǒng)的相序轉(zhuǎn)換規(guī)和矢量控制技術(shù)，仿真驗證雙三相永磁同步電機雙點擊

21、串聯(lián)系統(tǒng)的獨立運行。5為完成課題已具備和所需的條件和經(jīng)費已具備和所需的條件：電腦和MATLAB軟件。已具備和所需的經(jīng)費：無。6. 研究中可能遇到的問題和解決的措施研究中可能遇到的問題：雙三相永磁同步電機的矢量控制需要64個電壓矢量，計算和仿真時都十分繁瑣，容易出現(xiàn)問題；PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)不易確定。解決的措施：仔細計算64個電壓矢量，盡量采用編程的方法降低繁瑣程度，仿真時要認真，尋求更簡單但不失準確的簡潔方法；調(diào)節(jié)PI參數(shù)時注意調(diào)節(jié)規(guī)律并靈活使用。7. 主要參考文獻：1劉陵順, 張海洋, 苗正戈. SVPWM控制2臺雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的研究J. 電氣傳動, 2012, 42(8

22、): 39-42.2 Jussi Karttunen, Samuli Kallio, Pasi Peltoniemi. Decoupled Vector Control Scheme for Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 61(5): 2185-21963 E. Levi, R. Bojoi, F. Profumo, H. A. Toliyat, and S. Williamson, Multiphase induction motor drivesA technology status review, IET Elect. Power Appl., vol. 4, no. 1, pp. 489516, Jul. 2007.4 楊金波, 楊貴杰, 李鐵才. 雙三相永磁同步電機的建模與矢量控制J. 電機與控制學報, 2010, 14(6): 1-7.5 Zhao Yifan，Lipo T A. Space vector PWM control of dual-three phase induction machine using vector space dec