本文格式為Word版，下載可任意編輯——雙三相永磁同步電機雙電機矢量控制哈爾濱工業(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，廣泛應用于地鐵，機車牽引，擠壓機組，機器人等應用場合。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，由于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]，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)理器，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

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空間中的分量對應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。

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，但是所建立的數(shù)學模型不確切，仿真效果并不理想。Wu將推導出的同步電機模型標么化處理后，得到了雙三一致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。最終，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。

2023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)域具有一定的理論和實踐意義[8]。

2023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(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Ⅰ和Ⅱ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)的尋覓次優(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Ⅲ和Ⅳ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TMS320F2812的7.5kW雙Y移30永磁同步電動機控制系統(tǒng)。試驗結(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，后者則透露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。

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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)的仿真試驗對兩種建模方法的一致性進行了驗證，而閉環(huán)的仿真和試驗結(jié)果則說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。

2023年JussiKarttunen,SamuliKallio,PasiPeltoniemi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)的三相電機相比有大量優(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)果說明，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決了，由于完全消除諧波是不可實現(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。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）。

[8]

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。靜止坐標系下的數(shù)學模型如下：

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為電機的極對數(shù)。

Te?運動方程：

Te-Tl?Jd?r?B?r(3-6)dt其中Tl為負載轉(zhuǎn)矩（N?m）；J為轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2）；B為粘滯系數(shù)；?r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

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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，應用矢量空間解耦理論，推導出矢量空間解耦矩陣，由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：

?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：

運動方程：

推導變換矩陣的方法：

Te-Tl?J；Lz1為等效的