船舶電力推進雙三相永磁同步電機電流控制策略研究

張平，耿攀，楊文鐵，徐正喜

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船舶電力推進雙三相永磁同步電機電流控制策略研究

張平，耿攀，楊文鐵，徐正喜

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

雙Y移30°永磁同步電機是一個強耦合的六維系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉矩的解耦控制，將該系統(tǒng)經坐標變換，得到了兩套繞組之間的耦合關系，建立了雙三相永磁電機在雙同步旋轉坐標下系的電機模型，并基于此模型提出了帶電流補償?shù)碾p繞組電流控制策略，通過空間矢量PWM技術對轉矩和與定子電流進行統(tǒng)一控制。仿真研究表明，該電流控制策略能夠減小定子諧波電流，減小電磁轉矩脈動。

雙Y移30°永磁同步電機 雙DQ變換 電流諧波 轉矩脈動

0 引言

船舶電力推進電動機宜采用多相電動機，除了實現(xiàn)低壓大功率外，還具有系統(tǒng)可靠性高、靜動態(tài)性能優(yōu)良和轉矩脈動小等諸多優(yōu)點。但相數(shù)增加會增加電機制造以及變頻控制的難度，從而導致總體性能和研制效果不一定隨相數(shù)的增加而提高。因此，雙三相電動機在船舶電力推進上有廣泛應用，比如說：“海神之子” (Albion) 級船塢登陸艦、“堡壘”(Bulwark)號登陸艦、Costa Victoria 號巡航郵輪、Solitaire 號鋪管船、Propero 號化學品船的電力推進電動機均采用了六相電動機。雙Y移30°電機能夠有效地削弱甚至消除電機定子電流中5，7次諧波，因而成為當前非常熱門的一種六相相電機結構形式[1-5]。Yifan Zhao等[2]在推導建立了雙Y移30°感應電機模型并提出了基于空間矢量解耦的統(tǒng)一DQ控制策略。該策略在不同的諧波子空間對電機諧波電流進行有效的控制。楊金波等[6]推導建立了基于雙dq變換的雙三相永磁同步電機的模型，該模型可以看成是存在耦合關系的兩個三相電機的有機組合。本文在此基礎上通過進一步的理論推導，提出了雙同步旋轉坐標系下的電流補償控制策略，實現(xiàn)了雙dq變換下的各繞組電流解耦控制，并由兩套三相電壓型逆變器來驅動電機運行，能有效地利用成熟的三相PWM技術。該解耦控制方法也適用于9相、12相等多相電機的建模，具有廣泛的適用性。仿真研究表明電流解耦控制策略能有效地減少定子電流諧波，抑制電磁轉矩的脈動。

1 雙Y移30°永磁同步電機的雙DQ坐標系下的模型

雙Y移30°永磁同步電機結構和逆變器驅動系統(tǒng)如圖1所示。圖中，ABC三個繞組標記為繞組1，將DEF三個繞組標記為繞組2。繞組1在空間上超前繞組2的角度為30°。

圖1 雙Y移30°永磁同步電機結構與驅動系統(tǒng)

為了建立多相同步電動機的數(shù)學模型，假設條件如下[3]：

1）忽略磁路飽和、渦流、磁滯及趨膚效應的影響；

2）氣隙磁場按正弦分布，忽略空間諧波磁場的影響；

3）永磁體磁勢恒定，轉子無阻尼繞組；

4）不考慮頻率和溫度對電機參數(shù)影響；

5) 按電動機慣例選取坐標軸的正方向。

雙三相永磁同步電機的定子電壓和磁鏈方程如下[2]：

[u]、[i]和[ψ]分別為定子電壓、電流與磁鏈矩陣，相應的定義如下：

式中： v, i, ψ(k =,,,,,)分別為定子相電壓、定子相電流和定子相繞組磁鏈；

參考楊金波在建立雙三相電機在雙dq坐標系下模型的方法[5]，通過坐標變換得到雙三相電機在雙dq坐標系下的模型。

式(2)和(3)分別為雙三相電機在雙同步旋轉坐標系下的定子電壓方程和磁鏈方程。繞組1的d1-q1軸與繞組2的d2-q2軸之間相互耦合。這是一個四階的非線性耦合系統(tǒng)，需要對其解耦，由此提出了基于雙dq解耦的電流控制策略。

2 雙Y移30°永磁電機的電流控制策略

根據(jù)(3)，可以得到

聯(lián)合(2)和(4)通過公式推導可以得到：

其中：

式(5)中，(x=d,q;y=1,2)為各坐標軸解耦分量，其表達式如(6)所示。對將變換后的繞組1的d1-q1坐標系中的分量與繞組2的d2-q2坐標系中的分量完全解耦，進而可以分別對繞組1和繞組2進行控制電流控制。其控制框圖如圖（3）所示。圖中，繞組1的分量（isd1 ,isq1）與繞組2分量（isd2 ,isq2）分別由不同的DQ旋轉變換得到，電流調節(jié)器的輸出與補償量的和作為參考電壓，分別作用于兩個相同PWM調制器。通過這種方式，實現(xiàn)了兩套繞組定子電流的獨立控制。

圖3 基于空間矢量解耦的統(tǒng)一dq控制框圖

圖3為基于空間矢量解耦[2]的統(tǒng)一dq控制框圖，六相電流經過統(tǒng)一dq變換[2]，得到同步旋轉坐標平面下d軸電流sd和q軸電流sq以及諧波子平面Z1-Z2平面下的諧波電流z1和z2。z1和z2為雙三相電機的諧波電流，不會在電機氣隙中產生反電動勢，因此不會產生電磁轉矩脈動，只會產生諧波電流，增加電機損耗[2]，故在此策略中，將z1和z2的給定值定為0。將電流調節(jié)器的輸出作為電壓參考值經過六相空間矢量[4]觸發(fā)技術得到觸發(fā)脈沖。

圖4 是無電流補償?shù)碾pdq控制策略[5]，該策略將兩套繞組分別進行坐標變換，從而采用非常成熟的三相SVPWM技術進行控制。

圖4 無電流補償?shù)碾pdq控制框圖

3 仿真結果與分析

本文以一臺雙Y移300永磁同步電機進行仿真研究。轉速給定始終為300r/min,給定負載17.5Nm。分別對基于空間矢量解耦的控制策略[2]，無電流補償?shù)碾pdq控制策略[5]和帶電流補償?shù)碾pdq控制策略進行Matlab仿真。

仿真結果如圖5。

將圖5的轉矩脈動比較圖量化得表1。將圖5的電流諧波比較圖量化得表2。表中THD及諧波分量均以其占基波（20 Hz）的百分比來表示。

對比仿真結果和數(shù)據(jù)分析，可以看出：

1）在相同轉速給定和給定負載轉矩下，三種控制策略均能較好的實現(xiàn)雙Y移30°永磁同步電機的轉速控制，穩(wěn)定電磁轉矩，其穩(wěn)態(tài)電流大小相同。

2）統(tǒng)一dq控制策略，無補償?shù)碾pdq控制策略和帶補償?shù)碾pdq控制策略的電流諧波分別為4.47%，8.36%和1.07%。統(tǒng)一dq控制策略的諧波電流主要集中在6m±1（m=1,3…）次諧波，而該次諧波產生的基波磁勢在兩套繞組中相互抵消，大大減小了轉矩脈動[2]。無補償?shù)碾pdq控制策略各次諧波值均較大，通過對各軸電流進行了有效地補償，帶補償?shù)碾pdq策略下的相電流諧波明顯削弱。從表1的對比中可以看出，帶補償?shù)碾pdq控制策略下的電磁轉矩相對其他兩種策略更加的穩(wěn)定。

4 結語

本文研究了雙Y移30o永磁同步電機的雙同步旋轉坐標系下的電機模型。通過公式推導，提出了帶補償?shù)碾p同步旋轉坐標系控制策略。該策略通過電流補償，對相互耦合的雙三相電機系統(tǒng)進行解耦，將雙三相電機系統(tǒng)分解為兩個獨立的三相電機系統(tǒng)來進行控制，從而實現(xiàn)電機兩套繞組之間獨立的線性控制。仿真研究表明，帶補償?shù)碾pDQ控制策略能有效的補償繞組之間的耦合分量，抑制定子電流中的諧波分量，削弱電磁轉矩的脈動。該控制策略也可應用到9相電機，12相電機等多相電機的控制中，具有廣泛的適用性。

A．統(tǒng)一DQ控制策略仿真結果B．無電流補償?shù)碾pDQ控制策略仿真結果C．帶電流補償?shù)碾pDQ控制策略仿真結果

（從上到下依次是定子A相電流，定子A相電流諧波分析，和電磁轉矩波形）

表1 電磁轉矩波動比較

表2 A相電流諧波分析結果比較

參考文獻:

[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] 任遠，章瑋. 雙Y移30°永磁同步電機空間矢量PWM技術的零矢量分配研究[D]. 浙江大學電氣工程學院.

[5] 楊金波, 楊貴杰, 李鐵才. 雙三相永磁同步電機的建模與矢量控制[J]. 電機與控制學報, 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

中圖分類號:TM351

文獻標識碼:A

文章編號:1003-4862（2014）12-0060-04

收稿日期：2014-06-23

作者簡介：張平（1988-），男，工程師。研究方向：電機控制技術和變頻器控制。