两台双三相PMSM串联系统改进的SVPWM控制研究

孔德彪，赵 强



两台双三相PMSM串联系统改进的SVPWM控制研究

孔德彪1，赵 强2

（1.海军航空工程学院研究生管理大队，山东烟台 264001；2.海军驻贵阳地区军事代表办事处，贵州安顺 561000）

建立了双三相永磁同步电机（PMSM）串联系统的数学模型，推导了一种离线计算基本电压矢量作用时间的SVPWM调制方法，并将该方法应用于对双三相PMSM串联系统的控制过程中。在Matlab/Simulink环境下对变载运行的典型工况进行了仿真分析，验证了这一方法的可行性。

双三相PMSM 串联系统 SVPWM 离线计算

0 引言

近年来，多台多相电机串联系统受到了越来越多的关注，因为该系统可以减少逆变器的数量，节约空间，在飞机、舰船等应用场合具有明显的优势。考虑到交流电机需要输入正弦电流的最终目的是在电机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，SVPWM 技术则是把逆变器和交流电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的运行[1]。在三相电机的控制过程中，SVPWM只需控制两个基本适量即可，而要对多相电机串联系统进行控制时则需要考虑多个工作平面，因此引入了多维多相SVPWM控制[2-4]。

文献[5]对两台双三相PMSM的多维多相SVPWM控制进行了研究，但在计算矢量作用时间时用到了求逆矩阵的方法，但该方法在仿真运算时会占用较大的内存空间，运算时间较长，不利于系统的快速响应。针对这一问题，本文研究了一种改进的离线计算矢量作用时间的SVPWM控制方法，并利用这一方法对双三相PMSM串联系统的最大四矢量SVPWM控制进行了仿真分析，验证了该方法的可行性。

1 双三相PMSM串联系统的模型

双三相PMSM的模型可以经过坐标变换从自然坐标系下转换到三个正交的平面、平面以及平面。平面的电流在电机中产生旋转磁动势，影响机电能量转换，而平面的电流分量以及零序电流分量则不会产生旋转磁动势，与机电能量转换无关，因此可以利用平面的电流分量来控制另一台电机。将两台电机的定子绕组按照一定的相序转换规则串联在一起，并利用一定的控制策略，就可以实现两台双三相PMSM串联系统的独立运行，即一台电机的平面的电流成为另一台电机的平面的电流，不会在令一台电机中产生磁通/转矩[6]。两台双三相PMSM串联的相序转换规则如图1所示[6]。

六相电压源逆变器共有28=64种开关状态，共形成64电压矢量。这些开关状态按照八进制数进行编码，顺序为，其中每个八进制数代表的开关模式，都可以转换为6位二进制数，“1”代表逆变器的上桥臂开关导通，“0”代表下桥臂开关导通。例如编码25就对应着，这64个电压矢量中共有60个非零有效矢量。子空间中的空间电压矢量以及子空间中的空间电压矢量分别为：

对两台双三相PMSM串联系统采用id=0的矢量控制策略以及基于最大四矢量的SVPWM调制方式进行控制的框图如图3所示。

2 多维多相SVPWM的原理

2.1 基本电压矢量的选取与计算

2.2 基本电压矢量作用时间计算的改进

由式（3）和式（4）可以看出，在电机控制过程中，计算基本电压矢量的作用时间需要对矩阵进行求逆的运算，这在仿真过程中会占用较大的内存空间，增大运算时间，不利于系统的快速响应，而要解决这一问题，可以对基本电压矢量的作用时间进行离线计算。当控制系统工作在平面上时，以参考电压矢量位于平面上的A扇区为例，根据电压矢量的分布图可知，应选取55、45、44、64作为基本电压矢量，它们在平面以及平面的分布如图4所示。

根据式（1）可以求得60个非零有效电压矢量中幅值最大以及幅值最小的电压矢量的幅值分别为

（5）

（8）

根据图4中各基本电压矢量的分布情况，可得四个基本电压矢量的作用时间应满足（8）式。

解方程可得四个基本电压矢量的作用时间为：

同理可得出参考电压矢量位于其他扇区时各基本电压矢量的作用时间，参考电压矢量位于各扇区内基本电压矢量的作用时间如表2所示。其中，1～6的值分别为

3 仿真分析

为了验证该控制方法的可行性，对系统在电机 2突加负载以及卸负载时进行仿真分析。系统的仿真参数如下：电机参数：，，，，，；运动参数：，，，；直流电压。电机1空载运行在240 rpm，电机2空载运行在260 rpm，在0.8 s时给电机2施加10 N*m的负载，在1.3 s时将负载卸掉，仿真结果如图6所示。

由仿真结果可知，当第2台电机突加负载以及突然移除负载时时，电机2的转速均出现波动，而后迅速恢复至给定转速；电机1的转矩与转速均未受影响；逆变器输出电流在这一过程中也能够根据负载的变化快速响应；而第一台电机的转速则没有受到影响，由此可见，两台电机的运行情况是互不影响的，这一改进的SVPWM的控制方法的可行性得到验证。

4 结论

本文建立了双三相PMSM串联系统的数学模型，推导了一种离线计算基本电压矢量的作用时间的SVPWM控制方法，并在Simulink环境中针对电机2变载运行时进行了仿真分析，得出改进的SVPWM控制方法适用于双三相PMSM串联系统。

[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, 刘陵顺,等. 最大四矢量控制双Y移30°永磁同步电机串联系统[J]. 电机与控制应用, 2011, 38(12):17-21.

[6] 刘陵顺, 张海洋, 苗正戈. 双Y移30°永磁同步电机串联系统矢量控制仿真[J]. 兵工自动化, 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，硕士研究生。研究方向：现代电力电子与电力传动技术。Email:438073212@qq.com