船舶电力推进双三相永磁同步电机电流控制策略研究

张平，耿攀，杨文铁，徐正喜



船舶电力推进双三相永磁同步电机电流控制策略研究

张平，耿攀，杨文铁，徐正喜

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

双Y移30°永磁同步电机是一个强耦合的六维系统。为了实现转矩的解耦控制，将该系统经坐标变换，得到了两套绕组之间的耦合关系，建立了双三相永磁电机在双同步旋转坐标下系的电机模型，并基于此模型提出了带电流补偿的双绕组电流控制策略，通过空间矢量PWM技术对转矩和与定子电流进行统一控制。仿真研究表明，该电流控制策略能够减小定子谐波电流，减小电磁转矩脉动。

双Y移30°永磁同步电机 双DQ变换 电流谐波 转矩脉动

0 引言

船舶电力推进电动机宜采用多相电动机，除了实现低压大功率外，还具有系统可靠性高、静动态性能优良和转矩脉动小等诸多优点。但相数增加会增加电机制造以及变频控制的难度，从而导致总体性能和研制效果不一定随相数的增加而提高。因此，双三相电动机在船舶电力推进上有广泛应用，比如说：“海神之子” (Albion) 级船坞登陆舰、“堡垒”(Bulwark)号登陆舰、Costa Victoria 号巡航邮轮、Solitaire 号铺管船、Propero 号化学品船的电力推进电动机均采用了六相电动机。双Y移30°电机能够有效地削弱甚至消除电机定子电流中5，7次谐波，因而成为当前非常热门的一种六相相电机结构形式[1-5]。Yifan Zhao等[2]在推导建立了双Y移30°感应电机模型并提出了基于空间矢量解耦的统一DQ控制策略。该策略在不同的谐波子空间对电机谐波电流进行有效的控制。杨金波等[6]推导建立了基于双dq变换的双三相永磁同步电机的模型，该模型可以看成是存在耦合关系的两个三相电机的有机组合。本文在此基础上通过进一步的理论推导，提出了双同步旋转坐标系下的电流补偿控制策略，实现了双dq变换下的各绕组电流解耦控制，并由两套三相电压型逆变器来驱动电机运行，能有效地利用成熟的三相PWM技术。该解耦控制方法也适用于9相、12相等多相电机的建模，具有广泛的适用性。仿真研究表明电流解耦控制策略能有效地减少定子电流谐波，抑制电磁转矩的脉动。

1 双Y移30°永磁同步电机的双DQ坐标系下的模型

双Y移30°永磁同步电机结构和逆变器驱动系统如图1所示。图中，ABC三个绕组标记为绕组1，将DEF三个绕组标记为绕组2。绕组1在空间上超前绕组2的角度为30°。

图1 双Y移30°永磁同步电机结构与驱动系统

为了建立多相同步电动机的数学模型，假设条件如下[3]：

1）忽略磁路饱和、涡流、磁滞及趋肤效应的影响；

2）气隙磁场按正弦分布，忽略空间谐波磁场的影响；

3）永磁体磁势恒定，转子无阻尼绕组；

4）不考虑频率和温度对电机参数影响；

5) 按电动机惯例选取坐标轴的正方向。

双三相永磁同步电机的定子电压和磁链方程如下[2]：

[u]、[i]和[ψ]分别为定子电压、电流与磁链矩阵，相应的定义如下：

式中： v, i, ψ(k =,,,,,)分别为定子相电压、定子相电流和定子相绕组磁链；

参考杨金波在建立双三相电机在双dq坐标系下模型的方法[5]，通过坐标变换得到双三相电机在双dq坐标系下的模型。

式(2)和(3)分别为双三相电机在双同步旋转坐标系下的定子电压方程和磁链方程。绕组1的d1-q1轴与绕组2的d2-q2轴之间相互耦合。这是一个四阶的非线性耦合系统，需要对其解耦，由此提出了基于双dq解耦的电流控制策略。

2 双Y移30°永磁电机的电流控制策略

根据(3)，可以得到

联合(2)和(4)通过公式推导可以得到：

其中：

式(5)中，(x=d,q;y=1,2)为各坐标轴解耦分量，其表达式如(6)所示。对将变换后的绕组1的d1-q1坐标系中的分量与绕组2的d2-q2坐标系中的分量完全解耦，进而可以分别对绕组1和绕组2进行控制电流控制。其控制框图如图（3）所示。图中，绕组1的分量（isd1 ,isq1）与绕组2分量（isd2 ,isq2）分别由不同的DQ旋转变换得到，电流调节器的输出与补偿量的和作为参考电压，分别作用于两个相同PWM调制器。通过这种方式，实现了两套绕组定子电流的独立控制。

图3 基于空间矢量解耦的统一dq控制框图

图3为基于空间矢量解耦[2]的统一dq控制框图，六相电流经过统一dq变换[2]，得到同步旋转坐标平面下d轴电流sd和q轴电流sq以及谐波子平面Z1-Z2平面下的谐波电流z1和z2。z1和z2为双三相电机的谐波电流，不会在电机气隙中产生反电动势，因此不会产生电磁转矩脉动，只会产生谐波电流，增加电机损耗[2]，故在此策略中，将z1和z2的给定值定为0。将电流调节器的输出作为电压参考值经过六相空间矢量[4]触发技术得到触发脉冲。

图4 是无电流补偿的双dq控制策略[5]，该策略将两套绕组分别进行坐标变换，从而采用非常成熟的三相SVPWM技术进行控制。

图4 无电流补偿的双dq控制框图

3 仿真结果与分析

本文以一台双Y移300永磁同步电机进行仿真研究。转速给定始终为300r/min,给定负载17.5Nm。分别对基于空间矢量解耦的控制策略[2]，无电流补偿的双dq控制策略[5]和带电流补偿的双dq控制策略进行Matlab仿真。

仿真结果如图5。

将图5的转矩脉动比较图量化得表1。将图5的电流谐波比较图量化得表2。表中THD及谐波分量均以其占基波（20 Hz）的百分比来表示。

对比仿真结果和数据分析，可以看出：

1）在相同转速给定和给定负载转矩下，三种控制策略均能较好的实现双Y移30°永磁同步电机的转速控制，稳定电磁转矩，其稳态电流大小相同。

2）统一dq控制策略，无补偿的双dq控制策略和带补偿的双dq控制策略的电流谐波分别为4.47%，8.36%和1.07%。统一dq控制策略的谐波电流主要集中在6m±1（m=1,3…）次谐波，而该次谐波产生的基波磁势在两套绕组中相互抵消，大大减小了转矩脉动[2]。无补偿的双dq控制策略各次谐波值均较大，通过对各轴电流进行了有效地补偿，带补偿的双dq策略下的相电流谐波明显削弱。从表1的对比中可以看出，带补偿的双dq控制策略下的电磁转矩相对其他两种策略更加的稳定。

4 结语

本文研究了双Y移30o永磁同步电机的双同步旋转坐标系下的电机模型。通过公式推导，提出了带补偿的双同步旋转坐标系控制策略。该策略通过电流补偿，对相互耦合的双三相电机系统进行解耦，将双三相电机系统分解为两个独立的三相电机系统来进行控制，从而实现电机两套绕组之间独立的线性控制。仿真研究表明，带补偿的双DQ控制策略能有效的补偿绕组之间的耦合分量，抑制定子电流中的谐波分量，削弱电磁转矩的脉动。该控制策略也可应用到9相电机，12相电机等多相电机的控制中，具有广泛的适用性。

A．统一DQ控制策略仿真结果B．无电流补偿的双DQ控制策略仿真结果C．带电流补偿的双DQ控制策略仿真结果

（从上到下依次是定子A相电流，定子A相电流谐波分析，和电磁转矩波形）

表1 电磁转矩波动比较

表2 A相电流谐波分析结果比较

参考文献:

[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.

[2] Yifan Zhao, Thomas A. Lipo.Vector PWM control of dual three phase induction machine using vector space decomposition[J]. IEEE Trans. Ind. Appl. 1995, 31(5): 1100-1109

[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] 任远，章玮. 双Y移30°永磁同步电机空间矢量PWM技术的零矢量分配研究[D]. 浙江大学电气工程学院.

[5] 杨金波, 杨贵杰, 李铁才. 双三相永磁同步电机的建模与矢量控制[J]. 电机与控制学报, 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

中图分类号:TM351

文献标识码:A

文章编号:1003-4862（2014）12-0060-04

收稿日期：2014-06-23

作者简介：张平（1988-），男，工程师。研究方向：电机控制技术和变频器控制。