雙三相永磁同步電機(jī)雙電機(jī)矢量控制

本文格式為Word版，下載可任意編輯——雙三相永磁同步電機(jī)雙電機(jī)矢量控制哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告

雙三相永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)

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1.課題來(lái)源及研究目的和意義

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為運(yùn)動(dòng)控制研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，廣泛應(yīng)用于地鐵，機(jī)車(chē)牽引，擠壓機(jī)組，機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)合。而要推出性能優(yōu)良的機(jī)車(chē)牽引，機(jī)器人等工業(yè)驅(qū)動(dòng)以及綜合電力艦船系統(tǒng)就需要解決同一直流母線(xiàn)電源和同一逆變器供電的多臺(tái)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行問(wèn)題[1]。

在過(guò)去的二十多年，越來(lái)越多的研究人員關(guān)注研究多相電機(jī)，由于多相電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)的三相電機(jī)存在諸多的顯著優(yōu)點(diǎn)，包括：減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，降低直流母線(xiàn)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(cuò)能力大大提高可靠性[2]。最常見(jiàn)的一種多相電機(jī)是雙三相電機(jī)[3]，而雙三相永磁同步電機(jī)是目前研究較為廣泛的一種多相電機(jī)，與傳統(tǒng)的三相電機(jī)相比，雙三相電機(jī)將基波電流產(chǎn)生的最低次諧波磁勢(shì)提高到了11次，消除了對(duì)電機(jī)性能影響最大的5次、7次諧波磁勢(shì)，大大減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提升了電機(jī)性能[4]。所以我以雙三相永磁同步電機(jī)為例來(lái)研究多相電機(jī)的多電機(jī)串聯(lián)控制。

多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。簡(jiǎn)單的說(shuō)，空間矢量控制就是通過(guò)坐標(biāo)變換將交流電機(jī)模型等效為直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)理器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。所以對(duì)雙三相永磁同步電機(jī)空間矢量控制技術(shù)的研究具有一定的研究意義。

2.國(guó)內(nèi)外雙三相電機(jī)矢量控制技術(shù)的歷史和現(xiàn)狀

1995年YifanZhao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(jī)的變換矩陣[5]。該方法通過(guò)適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變化，將自然坐標(biāo)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(gè)相互正交的二維子空間，從而可以在每個(gè)子空間中分別進(jìn)行控制，而且每一個(gè)子

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空間中的分量對(duì)應(yīng)于電機(jī)變量中一定次數(shù)的諧波。湖南大學(xué)的歐陽(yáng)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動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，但其研究對(duì)象主要為隱極電機(jī)，使得電機(jī)模型簡(jiǎn)化，不具備代表性。

2023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(jī)和同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[6,7]。他們把雙三相電機(jī)看成是兩個(gè)三相電機(jī)的組合，用分析三相電機(jī)的方法來(lái)分析六相電機(jī)。所選用的變換矩陣為兩個(gè)Clarke變換矩陣或Park變換陣的組合。這種變換方法一般稱(chēng)為雙d-q變換。上海海事大學(xué)的謝衛(wèi)、黃家圣以及哈爾濱工程大學(xué)的張敬南、劉勇、叢望基于這種方法對(duì)六相永磁同步電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了建模分析，并利用MATLAB/SIMULINK軟件建立了其仿真模型，對(duì)其性能和參數(shù)影響做了系統(tǒng)的研究，但是所建立的數(shù)學(xué)模型不確切，仿真效果并不理想。Wu將推導(dǎo)出的同步電機(jī)模型標(biāo)么化處理后，得到了雙三一致步電機(jī)的等效電路圖。范子超等人在此基礎(chǔ)上運(yùn)用戴維南定理，提出了與普通同步電機(jī)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(yàn)證了等效模型的正確性。最終，仿真結(jié)果再次驗(yàn)證了等效模型，并從起動(dòng)過(guò)程、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、定轉(zhuǎn)子電流等方面與普通同步電機(jī)做了對(duì)比。

2023年趙興濤以六相雙Y移30°繞組永磁同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了其數(shù)學(xué)模型和工作原理，提出了一種新的控制方法，并最終開(kāi)發(fā)出一套高性能、高可靠性的雙三相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究領(lǐng)域具有一定的理論和實(shí)踐意義[8]。

2023年1月孟超研究了雙Y移30°永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓空間矢量脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation，PWM)技術(shù)的2種矢量選擇方式，提出一種別致的空間矢量過(guò)調(diào)制技術(shù)[9]。過(guò)調(diào)制區(qū)域根據(jù)調(diào)制度分為4種模式。在過(guò)調(diào)制方式Ⅰ和Ⅱ中，對(duì)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(shí)現(xiàn)的尋覓次優(yōu)解的方法。為進(jìn)一步提高直流母線(xiàn)電壓利用率，過(guò)調(diào)制方式Ⅲ和Ⅳ采用兩電壓矢量調(diào)制，不再對(duì)z1-z電壓平面上的電壓矢量進(jìn)行優(yōu)化。他通過(guò)仿真計(jì)算，對(duì)輸出電壓的波形和諧波成分進(jìn)行分析。構(gòu)造基于低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812的7.5kW雙Y移30永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果證明白提出方法的正確性和可行性。

2023年6月楊金波針對(duì)相移30°Y型連接雙三相永磁同步電機(jī)，分別采用雙d-q變換和矢量空間解耦的方法建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)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(dá)式以及兩套繞組之間存在的耦合關(guān)系，后者則透露了不同的電流諧波分量對(duì)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的不同的作用。

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根據(jù)兩種不同的模型搭建了兩套雙三相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)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(jià)性。開(kāi)環(huán)的仿真試驗(yàn)對(duì)兩種建模方法的一致性進(jìn)行了驗(yàn)證，而閉環(huán)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果則說(shuō)明兩種矢量控制方案在一致的控制參數(shù)下具有一樣的控制性能。

2023年劉陵順，張海洋，苗正戈[1]研究了SVPWM控制2臺(tái)雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)。一定數(shù)量的多相電機(jī)通過(guò)適當(dāng)?shù)南嘈蜣D(zhuǎn)換規(guī)則串聯(lián)起來(lái)，使得該系統(tǒng)可以由1臺(tái)逆變器供電而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有串聯(lián)電機(jī)的獨(dú)立控制。以1臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)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(shí)現(xiàn)兩電機(jī)的解耦運(yùn)行，提出了一種別致的SVPWM控制串聯(lián)系統(tǒng)的方法。分析了SVPWM基本原理的具體實(shí)現(xiàn)方法。在Matlab/Simulink環(huán)境下，結(jié)合id=0的矢量控制策略，對(duì)電機(jī)的變載，變速運(yùn)行進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了所提出的SVPWM控制策略的可行性。

2023年JussiKarttunen,SamuliKallio,PasiPeltoniemi等人研究了雙三相永磁同步電機(jī)的解耦矢量控制[2]。雙三相電機(jī)與傳統(tǒng)的三相電機(jī)相比有大量?jī)?yōu)點(diǎn)。然而，對(duì)于這類(lèi)電機(jī)，目前的挑戰(zhàn)是，使用電流控制很難產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)能力。本文提出了一種改進(jìn)的雙三相永磁同步電機(jī)的矢量控制方案。本研究包括關(guān)鍵控制部分的詳細(xì)解決方案，如：坐標(biāo)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(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)了所提出的控制方案的性能。結(jié)果說(shuō)明，該方案可以產(chǎn)生期望的動(dòng)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(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電流諧波。然而，這個(gè)問(wèn)題只是部分地解決了，由于完全消除諧波是不可實(shí)現(xiàn)的。但是，所提出的控制方案戰(zhàn)勝了大量其他控制解決方案中發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)。改善控制性使得雙三相驅(qū)動(dòng)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)被有效利用，即使在苛刻的應(yīng)用條件下。

3.主要研究?jī)?nèi)容

3.1雙三相永磁同步電機(jī)靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

在三相電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)，雙三相永磁同步電機(jī)的定子由兩套Y型連接的三相對(duì)稱(chēng)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(diǎn)N1，N2是相互獨(dú)立的）。

[8]

由此可建立雙三相永磁同步電動(dòng)機(jī)在自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程：

Us=RsIs+dψs(3-1)dt其中Us為定子各相電壓（V）；Is為定子各相電流（A）；ψs為定子各相

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磁鏈（Wb）；Rs?Rs6I6磁鏈方程：

*,其中Rs為定子每相電阻值（?）

ψs=LsIs+F(θ)ψf(3-2)

其中?f為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈（Wb）；Ls為定子電感矩陣，包括繞組自感和各繞組間的互感（H）；F(?)——各相磁鏈作用系數(shù)，?為定子A相繞組與轉(zhuǎn)子軸線(xiàn)的夾角（rad）；

?cosθ??cos(θ-α)????cos(θ-4α)?F(θ)=??(3-3)

cos(θ-5α)???cos(θ-8α)???cos(θ-9α)???1?cos???cos4??Lm??cos5??cos8???cos9?cos?1cos3?cos4?cos7?cos8?cos4?cos3?1cos?cos4?cos5?cos5?cos4?cos?1cos3?cos4?cos8?cos7?cos4?cos3?1cos?cos9??cos8???cos5???(3-4)cos4??cos???1?Ls?LlsI6*6其中Lls為定子各相漏感（H）；Lm為任意兩相繞組間的互感最大值（H）。電磁轉(zhuǎn)矩方程：

?Wco1?Lss?F(?)?pn[IsTIs?Is?f](3-5)??2????其中pn為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

Te?運(yùn)動(dòng)方程：

Te-Tl?Jd?r?B?r(3-6)dt其中Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N?m）；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg?m2）；B為粘滯系數(shù)；?r為電機(jī)的機(jī)械角速度（rad/s）。

3.2雙三相永磁同步電機(jī)解耦旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

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主要分析雙三相永磁同步電機(jī)在六相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)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，由于雙三相永磁同步電機(jī)的矢量控制都是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行的，所以需要將電機(jī)變量從六相靜止坐標(biāo)系變換到解耦后的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，推導(dǎo)出雙三相永磁同步電機(jī)在解耦旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型[11]，并指出對(duì)電機(jī)的控制等同于對(duì)d-q平面分量的控制，由此可將三相電機(jī)的控制策略經(jīng)擴(kuò)展應(yīng)用到雙三相電機(jī)上。解耦旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程：

?ud??id?????u?q??iq??u??Rs?i???z1??z1??uz??iz??2??2???d????q????????q?d?p????e?(3-7)

??0??z1???0??z??????2?磁鏈方程：

??d??L???d??q??0????0??z1??????0??z2???0Lq0000Lz100??id???0???iq???f0??iz???1?Lz2?????iz2????????3??0??(3-8)0??0?其中Ld為等效直軸電感（H），Ld?Lq?L3Lm?sl，Lz1?Lz2?Lls。z1軸電感（H）

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

運(yùn)動(dòng)方程：

推導(dǎo)變換矩陣的方法：

Te-Tl?J；Lz1為等效的