双Y移30°PMSM串联系统独立解耦控制

刘华崧，孙登亚，刘陵顺，闫红广，孔德彪

（1.海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001； 2.海军第91291部队，海南三亚 572011）

双Y移30°PMSM串联系统独立解耦控制

刘华崧1，孙登亚2，刘陵顺1，闫红广1，孔德彪1

（1.海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001； 2.海军第91291部队，海南三亚 572011）

双Y移30˚永磁同步电机（PMSM）双电机串联系统是一种新型的多电机传动系统，其中电机1运行在α-β平面上，电机2运行在x-y平面上。本文研究了该串联系统一种新的串联方式，通过坐标变换建立起两台六相永磁同步电机串联驱动系统的数学模型，用数学方法证明了该系统的可行性，并进行了仿真验证。关键词：双Y移30° PMSM双电机串联解耦控制

0　引言

随着电力电子技术的发展，由单逆变器供电多台多相电机串联系统在日常生活中得到广泛的应用，尤其是在钢铁、塑料、纺织、机车牵引等工业场合具有潜在的应用前景［1］。所以该系统的研究受到越来越多的关注。与单相或者三相电机相比，多相电机串联系统有着明显的优势［2］：在限制供电电压的场合，多相电机串联系统能够有效的解决大功率需求的问题；由于相数增加，电机转矩脉动减小、脉动频率增加，低速特性得到很大改善，振动和噪声得到明显减小，整个驱动系统的可靠性大大提高相数增加。同时，如果多台电机由单一逆变器供电，就会减少了逆变器支路数量，提供了直接利用制动能量的可能。本文以两台双Y移30˚六相PMSM串联系统为研究对象，在不同的坐标系下对该系统建立数学模型，并进行了变速变载运行的仿真分析，验证了双Y移30°PMSM双电机串联系统独立解耦运行的可行性。

该串联系统有明显的控制优势［3］：一是两台电机的定子绕组可以过滤另一台电机的谐波电流，且可以直接互相利用对方的制动能量，而不需要通过逆变器反馈到直流母线上，这就很大程度上降低了逆变器的装置容量。二是本文验证了这种串联系统的两台电机可以独立解耦运行，按照图1相序转换规则进行串联，由一个六相的逆变器供电驱动，使得驱动、控制平台及外围电路明显减少。

工作原理是：通过解耦变换，可以把自然坐标下的电机变量变换到相互正交的两维子平面α-β和x-y平面，两个正交的一维子平面01-02平面。每台双Y移30˚PMSM都仅需α-β平面的电流分量就可以产生磁链和转矩，x-y平面的定子电流分量用来控制第二台PMSM，01-02平面的电流分量将不产生转矩。由于两台串联PMSM的控制电流所在平面相互正交，因此只要两台六相PMSM可以实现解耦控制。

图1　两台双Y移30˚PMSM串联方式

1　两台双Y移30度PMSM双电机串联系统数学模型

根据多相电机坐标变换的一般理论，对对称六相PMSM串联三相PMSM研究分析时需要用到矢量空间变换矩［4］。

串联系统的结构图如图2所示：

图2　矢量控制的两电机串联结构图

按照图1所示的相序转换规则，六相逆变器所输出得电压、电流与两台六相电机各相的相电压、电流关系可表示如下［5］：

由于双电机串联系统的定子电流时设定在α-β平面和x-y平面中，而转矩电流iq则是在d-q旋转坐标系中的电流分量，所以需要进行旋转坐标变换，将电流和电压等变量从α-β平面和x-y平面的固定坐标系变换到d-q同步旋转坐标系中。

在PMSM1中，将定子电流矢量由α-β坐标系变换到同步旋转的d1-q1坐标系通过坐标变换如下：

上式所进行的坐标变换是将α-β绕组变换成同步旋转的d1-q1换向器绕组。通过该变换，在d1-q1坐标系中，就可以将两个PMSM都等效直流电动机。

第二台PMSM情况与第一台PMSM情况相同。

所以，双Y移30˚永磁同步电机串联系统中可以通过旋转坐标变换，得到了转矩电流iq，而te与iq间具有线性关系。在旋转坐标变换的基础上在采取有效的控制策略，该串联系统当中的每一台电机都可以达到他励直流电动机的效果。

根据前面分析可得到六相静止坐标系变换到d-q旋转坐标系的变换矩阵［T］abc/dq为：

则六相永磁同步电机解耦数学模型如下：解耦电压方程为：

在上式中ud、uq、uz1、uz2以及id、iq、iz1、iz2分别为六相永磁同步电机等效的定子电压和定子电流，R为电阻，φd、φq、φz1、φz2分别为六相永磁同步电机等效的定子磁链，ω1为角速度。解耦磁链方程如下：

在上式中Ld为六相永磁同步电机等效的直轴电感，Lq为六相永磁同步电机等效的交轴电感。

本文研究的是面贴式六相永磁同步电机，其电感关系可表示为：Ld=Lq=3Lm+L1s，Lz1=Lz2=L1s

则对六相静止坐标系下的电机方程进行坐标变换可得：

不考虑转子阻尼绕组的情况下，根据上式可得在d-q坐标系下电压表达式为：

电磁转矩表达式为：

上式中，P1，2P为PMSM1和PMSM2的极对数

2　串联系统仿真分析

本文采取较为简单的间接转子磁场定向控制方式，如图3所示［6］。

对系统仿真参数设定如下：

两台电机的磁链控制电流d 轴分量为1.5 A，最大转矩为17.5 N/m，积分常数Ki=100，滞环宽度h=0.1A，比例常数Kp=5直流电压U=300 V，

根据图3-4可以看到，两个间接转子并联运行，两台永磁同步电机的输出相电流定值可以表示如下：

式中的右边电流包括两套幅值和频率可以相同也可以不同的正弦量的稳态运行状态，它们根据相序转换的规律相加的。串联系统当中国的每台六相永磁同步电机的每一相正弦电流都可以分解成两部分，其中一部分控制第一台PMSM的α-β力矩磁通电流分量，同时另一部分控制第二台PMSM的x-y电流分量。

基于MATLAB/SIMULINK驱动系统的仿真结果如下：

设定PMSM2每秒的转速为500 转，PMSM1初始速度为每秒600 转，在0.35 s开始PMSM1逐渐下降到每秒200 转，得到两台电机转速变化及q轴电流值变化如图4-7所示。

图3　双Y移30˚PMSM串联系统转子磁场定向控制策略

图4　电机1的转速变化

图5　电机2的转速变化

图6　电机1的q轴电流值

图7　电机2的q轴电流值

3　结论

通过仿真研究可以看出当电机1的转速下降时，电机2的转速不受任何影响；从图6中可知，PMSM1的q轴电流分量在其本身转速下降过程中从零急速下降到6.3A左右，中间随着转速的波动也存在一定的波动，最后当转速稳定在每秒200转时，q轴电流分量又稳定在零值上，从图7可知，PMSM2的q轴电流一直没有变化。由此，可以得出结论：第一台电机的转速变化对于第二台电机的运行没有任何影响。所以两台电机都可以实现独立解耦运行。

［1］Liu Lingshun.Miao Zhengge，Zhang Haiyang.Variable speed simulation of symmetrical six-phase PMSM series connect three-phase PMSM drive System［C］.International conference on computer，electrical and systems science and engineering cesse，423-427.

［2］Singh G K.Multi-phase induction machine drive research—a survey［J］.Electric Power Systems Research，2002，61（2）: 139-147.

［3］E.levi，A.lqbal，S.N.Vukosavic and H.A.Toliyat.Modelling and control of a five-phase series-connected two-motor drive［J］.IEEE Ind.Elec.Soc.Annual Meeting IECON，Roanoke，2003，VA:208-213.

［4］张华强，罗世军，刘陵顺。双三相永磁同步电机多矢量控制技术研究［J］.电工传动，2014，44（9）：3-8.

［5］Guyker W C.138 kV six-phase transmission system feasibility［C］.in Conf.Rec.1978 American power conf：1978:1293-1305.

Independent Decoupling Control of Double Y Shift 30˚ PMSM Series-connected System

Liu Huasong1，Sun Dengya2，Liu Linshun1，Yan Hongguang1，Kong Debiao1
（1.Department of Control Engineer，Naval Aeronautical and Astronautical University，YanTai 264001，Shandong，China； 2.The 91291th Unit of PLA，Sanya 572011，Hainan，China）

The double Y shift 30˚ PMSM two-motor series-connected system is a novel multi-machines system in which PMSM1 operates on α-β plane and PMSM2 operates on x-y plane.This paper presents a new series-connectedsystem.The mathematical model of series-connected system with two six-phase PMSM with dual-star windings is derived by coordinate transformation.The model can verify the concept of series- connected system in mathematic method,and builds the foundation for further simulation.

The double Y shift 30˚; PMSM two-motor series-connected system; decoupling control

TM351

A

1003-4862（2015）11-0015-04

2015-09-09

刘华崧（1983-），男，硕士。研究方向：电力电子及电力传动。