專利名稱：一種單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即基于廣義零次諧波分量的單逆變器驅(qū)動(dòng)的 雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為運(yùn)動(dòng)控制研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，廣泛地應(yīng)用于地鐵、機(jī) 車牽引、擠壓機(jī)組、機(jī)器人、紡織、卷繞、軋鋼及造紙工業(yè)等應(yīng)用場合。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前 分為兩種一種是多個(gè)逆變器并聯(lián)在同一直流母線電源上，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)由各自的逆變器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)(如圖1所示)。目前該多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)和逆變器都是三相的，各臺(tái)電機(jī)相對于其他電機(jī)可以利用各自的逆變器和矢量控制策略或者直接轉(zhuǎn)矩控制策略實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，這種系統(tǒng)可允許電機(jī)具有不同的額定值以及不同的負(fù)載或轉(zhuǎn)速值，但缺點(diǎn)是需要多個(gè)逆變器及其控制電路，不利于降低系統(tǒng)的成本和體積等。第二種是只用單臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)并聯(lián)的三相交流電動(dòng)機(jī)，例如機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)中 常用的多電機(jī)系統(tǒng)(如圖2所示)。該系統(tǒng)要求每臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及負(fù)載必須嚴(yán)格地完全 相同，不允許各臺(tái)電機(jī)具有不同的額定值以及不同的負(fù)載或轉(zhuǎn)速值！因此，對于采用同一 臺(tái)逆變器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)具有不同電壓額定值、不同轉(zhuǎn)速或負(fù)載的三相電機(jī)則是不可能的。而要推出技術(shù)性能優(yōu)良的機(jī)車牽引、機(jī)器人、紡織、造紙等工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及綜合 電力艦船系統(tǒng)，不能僅僅針對同一逆變器供電的單臺(tái)電機(jī)的控制問題開展研究，而必須解 決同一直流母線電源和同一逆變器供電的多臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行問題！根據(jù)電機(jī)理論，采用 兩臺(tái)雙Y移30°六相PMSM串聯(lián)的方式，用同一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)，則能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立 解耦運(yùn)行！

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足而提供一種降低系統(tǒng)的成本、提高系 統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)的體積及重量，提高系統(tǒng)的效率的單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙Y移30°永磁 同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)及控制方法。本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到一種單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙Y移30°六相永 磁同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于其具有兩臺(tái)定子繞組正弦分布的雙Y移30°六 相永磁同步電動(dòng)機(jī)、與兩臺(tái)定子繞組正弦分布的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)相聯(lián)接的 六相逆變器、檢測六相逆變器的六相輸出電流的電流傳感器、分別檢測兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)位置信 號的兩個(gè)光電碼盤及系統(tǒng)控制單元，該系統(tǒng)控制單元是按照永磁同步電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)下的矢量控制策略分別對兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)變 換得到兩臺(tái)電機(jī)的定子電壓給定值，再按照兩臺(tái)電機(jī)的相序聯(lián)結(jié)關(guān)系將定子電壓給定值疊加后，得到控制六相逆變器所需要的脈寬調(diào)制(PWM)信號；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同 步電動(dòng)機(jī)的定子^b1C1繞組為第一套繞組，它們的夾角分別為120°電角度，Xl7lZ1繞組為 第二套繞組，它們的夾角也是分別為120°電角度，而&1與X1之間的夾角為30°電角度 與yp C1與Z1的夾角也分別為30°電角度，第一套繞組aiblCl與第二套繞組XlylZl之間的 中點(diǎn)是隔離的；第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子a2b2c2繞組為第一套繞組，它 們的夾角分別為120°電角度，x2y2z2繞組為第二套繞組，它們的夾角也是分別為120°電 角度，而 與X2之間的夾角為30°電角度幾2與72、(2與22的夾角也分別為30°電角度， 第一套繞組a2b2c2與第二套繞組x2y2z2之間的中點(diǎn)是隔離的，第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁 同步電動(dòng)機(jī)的^相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的％直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y 移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的1^相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的C2直接聯(lián) 結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的C1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電 動(dòng)機(jī)的b2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的X1相與第二臺(tái)雙Y移30° 六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的y2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的yi相與第 二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的X2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電 動(dòng)機(jī)的Z1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的Z2直接聯(lián)結(jié)。一種單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的控制方 法，其特征在于其包括如下步驟a、通過電流傳感器檢測六相逆變器的六相輸出電流，然后經(jīng)過式(1)的變換矩陣 計(jì)算變換后分別得到控制電機(jī)1的α β電流分量和控制電機(jī)2的Z1Z2電流分量；由兩臺(tái)電 機(jī)的光電碼盤1、光電碼盤2分別檢測出各自電機(jī)的位置信號，一方面用來進(jìn)行靜止坐標(biāo)到 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換，分別將電機(jī)1的α β電流分量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流分量U、、 以及電機(jī)2的Z1Z2電流分量轉(zhuǎn)變?yōu)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流分量id2、iq2 ；檢測出的位置信號 的另一方面用來進(jìn)行微分得到轉(zhuǎn)速的大小；在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下分別對兩臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī) 按照定子激磁電流分量id = 0的控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制；b、將第一臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所得到的電壓信號ud、Uq以及第二臺(tái) 六相永磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所得到的電壓信號ud2、Uq2分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到靜止坐標(biāo)的 反變換得到兩臺(tái)電機(jī)在靜止坐標(biāo)下的Ua、U0和Uzl、Uz2 ；然后分別對Ua、U0和Uzl、Uz2進(jìn) 行2/6坐標(biāo)變換(即式(1)的逆變換[ΤΓ1)就可分別得到控制電機(jī)1電壓信號的給定值 Uax—-4與控制電機(jī)2電壓信號給定值心-—<2，逆變器的脈寬調(diào)制控制電壓義…< 根據(jù)相序串聯(lián)規(guī)則對應(yīng)相力口，即<^ub =Ubx+Ucl ,Utc =Ucx+Ubl ,Ux =Uxl+Uyl、 Uy = Uyx^uxl、u; = u2l+uz2，經(jīng)脈寬調(diào)制輸出的六路控制信號(Sa與義、Sb與&、Sc與Sc、Sx 與Sx、Sy與&、Sz與Sz )分別控制六相逆變器的六個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān) 斷，這些控制信號高電平時(shí)為1，此時(shí)所控制的開關(guān)器件導(dǎo)通，低電平時(shí)為0，此時(shí)所控制的 開關(guān)器件關(guān)斷，這樣就可實(shí)現(xiàn)六相逆變器輸出電流的α β電流分量作用在電機(jī)1中并產(chǎn)生 電機(jī)1所需要的磁通和力矩，六相逆變器輸出電流的Z1Z2電流分量作用在電機(jī)2中并產(chǎn)生 電機(jī)2所需要的磁通和力矩，鑒于α β電流分量與Z1Z2電流分量分別在兩個(gè)正交的平面 上，因此實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)串聯(lián)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)在同一臺(tái)六相逆變器驅(qū)動(dòng)下的獨(dú) 立解耦運(yùn)行。
本發(fā)明同已有技術(shù)相比可產(chǎn)生如下積極效果(1)這是一種利用諧波的新思想，即在第一臺(tái)雙Y移30°六相PMSM中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁 動(dòng)勢的基波電流和6k士 l(k為偶數(shù))次諧波電流在第二臺(tái)雙Y移30°六相PMSM中不會(huì)產(chǎn) 生磁動(dòng)勢，而在第一臺(tái)雙Y移30°六相PMSM中不產(chǎn)生磁動(dòng)勢的6k士 l(k為奇數(shù))次諧波電 流將在第二臺(tái)雙Y移30°六相PMSM中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢，本發(fā)明是對普通多相PMSM交流 調(diào)速技術(shù)的拓展和延伸。(2)本發(fā)明的新型串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，每臺(tái)雙Y移30°六相PMSM的定子繞組可以天 然地作為另一臺(tái)雙Y移30°六相PMSM的諧波濾波器，因此，還可以省略體積龐大、重量笨重 的濾波器裝置。(3)該新型系統(tǒng)與傳統(tǒng)的三相多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，能夠繼續(xù)保持住雙Y移30° 六相PMSM原有的諧波最低次數(shù)和脈動(dòng)頻率提高、力矩脈動(dòng)及噪聲減小、轉(zhuǎn)子諧波損耗減小 以及力矩密度增加等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明是對傳統(tǒng)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一種新發(fā)展和新思路。(4)該新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在同一變頻電源供電下，采用同一臺(tái)DSP平臺(tái)就可 以完成兩臺(tái)雙Y移30°六相PMSM的解耦控制，有利于節(jié)省逆變器驅(qū)動(dòng)控制裝置、降低系統(tǒng) 的成本、減小多相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外圍電路、在元件層面上提高系統(tǒng)的可靠性以及降低系統(tǒng)的 體積、重量。尤其是采用面裝式雙Y移30°六相PMSM的雙電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)相對于兩臺(tái)雙Y移 30°六相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有助于改善定子繞組損耗過大的缺點(diǎn)，在一定程度上 改善了系統(tǒng)的效率。


圖1為已有的基于同一直流母線電源的獨(dú)立逆變器的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意圖；圖2為已有的基于同一逆變器的電機(jī)并聯(lián)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(兩電機(jī))的示意 圖；圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)主電路原理框圖；圖4為本發(fā)明的兩臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明的兩臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組聯(lián)結(jié)形式圖；圖6為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖；圖7為電機(jī)1保持300rpm，電機(jī)2從靜止加速到500rpm的電機(jī)轉(zhuǎn)速情況、電機(jī)力
矩情況及逆變器a相電流情況圖；圖8為電機(jī)1保持300rpm，電機(jī)2保持350rpm，對電機(jī)2突加負(fù)載，穩(wěn)定后卸負(fù)載 的電機(jī)轉(zhuǎn)速情況、電機(jī)力矩情況及逆變器a相電流情況圖；圖9為電機(jī)1轉(zhuǎn)速150rpm，電機(jī)2轉(zhuǎn)速450rpm，空載時(shí)逆變器a相輸出電流的波
形及頻譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明對于定子繞組正弦分布的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)采用全維空間解耦變 換方法，可以把自然坐標(biāo)下的電機(jī)變量(相電壓、相電流等)變換到α β-Z1Z2-O1O2新參考 坐標(biāo)系下，α β子空間中的基波及諧波將在電機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn) 換相關(guān)，其中兩個(gè)基波分量可以用來控制電機(jī)的運(yùn)行；Z1Z2子空間與α β子空間正交，該 子空間的諧波在繞組正弦分布的電機(jī)中不形成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，與電機(jī)自身的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換無關(guān)，只在定子繞組上感應(yīng)出諧波電流，可以稱為廣義零序分量；0102定義為零序子空間，它 們與α β和Z1Z2子空間都正交，對于星形聯(lián)接的沒有中點(diǎn)的多相電機(jī)中，O1O2子空間的零 序分量不存在。當(dāng)電機(jī)采用矢量控制等控制策略時(shí)，只需要兩個(gè)定子電流分量，一個(gè)用來產(chǎn)生磁 鏈，另一個(gè)用來產(chǎn)生力矩。而對于多相電機(jī)中其余的自由度電流分量，除了可以用作力矩提 高(如對于集中定子繞組而言，通過注入定子電流諧波來實(shí)現(xiàn))或者容錯(cuò)性之外，還可以用 作多臺(tái)多相電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)變量。因此，本發(fā)明研究一種新型的兩臺(tái)雙Y移30° 六相永磁同步電動(dòng)機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由單臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)，借助于一定的定子繞組 串聯(lián)聯(lián)結(jié)相序轉(zhuǎn)換規(guī)律，以使第一臺(tái)電機(jī)的Z1Z2子空間的廣義零序電流分量轉(zhuǎn)換成為第二 臺(tái)電機(jī)的磁通和力矩的電流分量，而第一臺(tái)電機(jī)的磁通和力矩的電流分量必須轉(zhuǎn)換為第二 臺(tái)電機(jī)的廣義零序分量，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)在同一個(gè)逆變器驅(qū)動(dòng)下的獨(dú)立運(yùn)行；該系統(tǒng)對 于每一臺(tái)電機(jī)的額定功率、轉(zhuǎn)速和負(fù)載都沒有特殊要求，它們可以相同，也可以不同。系統(tǒng) 主電路原理圖如圖3所示。其中，逆變器為電流控制電壓源型，若要實(shí)現(xiàn)電機(jī)1與電機(jī)2的串聯(lián)聯(lián)結(jié)后的完全 獨(dú)立運(yùn)行，中間必需適當(dāng)?shù)南嘈蜣D(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行必要的相序轉(zhuǎn)換，而不是相序的直接串聯(lián)，才 可保證電機(jī)1的Z1Z2子空間廣義零序分量構(gòu)成電機(jī)2的磁通與力矩電流分量，而電機(jī)1的 磁通和力矩電流分量則構(gòu)成電機(jī)2的廣義零序電流分量，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)1與電機(jī)2的解耦 運(yùn)行。兩臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)如圖4所示。以第一臺(tái)電 機(jī)為例說明其繞組關(guān)系，定子^b1C1繞組為第一套繞組，它們的夾角分別為120°電角度， X1Y1Z1繞組為第二套繞組，它們的夾角也是分別為120°電角度，而 與X1之間的夾角為 30°電角度，131與71、(1與21的夾角也分別為30°電角度。第一套繞組aiblCl與第二套繞 組X1Y1Z1之間的中點(diǎn)是隔離的。對于第二臺(tái)雙Y移30°六相PMSM的定子繞組結(jié)構(gòu)關(guān)系與第一臺(tái)電機(jī)是相同的，但 兩臺(tái)電機(jī)的額定功率、額定負(fù)載、額定轉(zhuǎn)速等可以相同、也可以不同，沒有特殊要求。具體的兩臺(tái)雙Y移30°六相PMSM的定子繞組串聯(lián)關(guān)系如圖5所示。實(shí)施例(1)兩臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組串聯(lián)相序轉(zhuǎn)換關(guān) 系對于一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制而言，只需要一對定子α β子空 間電流分量分別用以磁通和力矩的控制，這樣，就存在剩余的另一對Z1Z2子空間定子電流 分量控制與之串聯(lián)的第二臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)。如果能設(shè)法控制第一臺(tái)雙Y移30°六相永 磁同步電動(dòng)機(jī)定子繞組與之串聯(lián)的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)互相解耦，則其中第一 臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)控制力矩與磁通的電流分量在第二臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)中就不 會(huì)產(chǎn)生力矩與磁通，即其中第一臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子α β電流分量可看作第二 臺(tái)與之串聯(lián)的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的Z1Z2分量，反之，第二臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子 α β電流分量可看作第一臺(tái)與之串聯(lián)的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的Z1Z2分量。這樣，就實(shí)現(xiàn)了 在一臺(tái)電流控制電壓型逆變器驅(qū)動(dòng)的兩臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)串聯(lián)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(位置或 力矩)的獨(dú)立控制。只是這兩臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組之間需要一定的相序變換 才能實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。
一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的解耦轉(zhuǎn)換矩陣如式(1)，其中矩陣的六列 矩陣式(1)中的最上面兩行表示能夠產(chǎn)生基波磁通和力矩的定子電流分量，即所 謂的α β電流分量；中間兩行表示與α β子空間正交的Z1Z2子空間諧波電流分量，它們與 電機(jī)自身的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換無關(guān)，式(1)中的最下面的兩行為兩個(gè)O1O2零序分量，對于沒有中 線的Y型聯(lián)結(jié)的多相電機(jī)，這對O1O2分量是不存在的。禾Ij用式(1)，可得具體的聯(lián)結(jié)規(guī)律如下首先看兩臺(tái)電機(jī)的第一套繞組aiblCl與a2b2c2繞組的對應(yīng)串聯(lián)關(guān)系。第一臺(tái)電機(jī) 的^相與第二臺(tái)電機(jī)的a2直接聯(lián)結(jié)，這是因?yàn)樵谑舰胖械牡谝涣兄?，Cij1分量與Z1Z2分 量的對應(yīng)步長為0，a相的相轉(zhuǎn)換步長為O ；電機(jī)1的Id1相與電機(jī)2的C2相聯(lián)結(jié)，這是因?yàn)?在式(1)的第三列中，α J1分量與Z1Z2分量的對應(yīng)步長為4 α-8α = -4 α =-120° ；電 機(jī)1的C1與電機(jī)2的b2聯(lián)結(jié)；因?yàn)榈谖辶兄?，α工β工分量與ZlZ2分量的對應(yīng)步長為8 α -4 α =4α = 120°。然后再看兩臺(tái)電機(jī)的第二套繞組XlylZl與x2y2z2的對應(yīng)串聯(lián)關(guān)系。電機(jī)1的X1相 與電機(jī)2的％聯(lián)結(jié)，因?yàn)樵谑舰诺牡诙兄校珻ij1分量與Z1Z2分量的對應(yīng)步長為α_5α = -4α =-120° ；電機(jī)1的71與電機(jī)2的&聯(lián)結(jié)，因?yàn)樵诘谒牧兄?，CiJ1分量與Z1Z2分 量的對應(yīng)步長為5α_α = 4α =120° ；電機(jī)1的Z1與電機(jī)2的Z2聯(lián)結(jié)，因?yàn)榈诹兄校?Q1^1分量與Z1Z2分量的對應(yīng)步長為9 α -9 α =0。兩臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組串聯(lián)關(guān)系如圖5所示。(2)單逆變器驅(qū)動(dòng)的兩臺(tái)雙Y移30°六相PMSM串聯(lián)系統(tǒng)獨(dú)立解耦控制方法由于兩臺(tái)雙Y移30 °六相永磁同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過相序變換串聯(lián)后，使第二臺(tái)電機(jī)的 dq力矩磁通分量與第一臺(tái)電機(jī)的Z1Z2諧波分量串聯(lián)，反之亦然，對每臺(tái)電機(jī)均可采用轉(zhuǎn)子 磁場定向的矢量控制策略實(shí)現(xiàn)二者的獨(dú)立運(yùn)行。該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，其中每一臺(tái)六 相電機(jī)的矢量控制策略都是獨(dú)立的，控制策略可以相同，也可以不同。對于表貼型永磁同步 電動(dòng)機(jī)，通常采用最簡單的定子激磁電流分量id = 0的控制策略，可使單位定子電流的力 矩最大，或者在產(chǎn)生所要求的力矩情況下，只需要最小的定子電流，從而使銅耗下降，效率 提尚。通過電流傳感器檢測六相逆變器的六相輸出電流(該電流實(shí)際上包含了兩臺(tái)六 相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組電流瞬時(shí)值之和)，然后經(jīng)過式(1)的變換矩陣計(jì)算變換后 分別得到控制電機(jī)1的α β電流分量和控制電機(jī)2的Z1Z2電流分量；由兩臺(tái)電機(jī)的光電編 碼器(光電碼盤1、光電碼盤2)分別檢測出各自電機(jī)的位置信號，一方面用來進(jìn)行靜止坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變換，分別將電機(jī)1的α β電流分量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流分量idl、 iql以及電機(jī)2的Z1Z2電流分量轉(zhuǎn)變?yōu)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流分量id2、iq2 ；檢測出的位置信 號的另一方面用來進(jìn)行微分得到轉(zhuǎn)速的大小，以用于轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下分別 對兩臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)按照定子激磁電流分量id = 0的控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，具體 情況參見圖6。同時(shí)為了精確的解耦控制，在構(gòu)造電壓參考值時(shí)需要考慮補(bǔ)償其中一臺(tái)電機(jī) 的磁通力矩電流分量在另一臺(tái)電機(jī)所產(chǎn)生的壓降(如圖6中電機(jī)1的％、 ，電機(jī)2的ed2、
eq2) 0將第一臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所得到的電壓信號ud、Uq以及第二臺(tái)六相 PMSM閉環(huán)控制所得到的電壓信號ud2、uq2分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到靜止坐標(biāo)的變換得到兩臺(tái)電 機(jī)在靜止坐標(biāo)下的ua、U0和uzl、uz2 ；然后分別對ua、U0和uzl、uz2進(jìn)行2/6坐標(biāo)變換(即 式⑴的逆變換[ΤΓ1)就可分別得到控制電機(jī)1電壓信號的給定值(一-&與控制電機(jī)2 電壓信號給定值-―w;2。逆變器的PWM(脈寬調(diào)制)控制電壓.是由兩臺(tái)電機(jī)合成的參考電壓(電 機(jī)1的4---Wl1與電機(jī)2的Utz2)實(shí)現(xiàn)的，參考電壓不是直接相加而必須是按 照圖5所示的相序串聯(lián)規(guī)則對應(yīng)起來相力Π，即< =C + μ〗2、< = ubx + uc2、uc = ηΛ + ubl、 Ux ^ Uxl+Uyl ,uY =Uy,+Ux2 ,Uz =Uzl+Uz2。經(jīng) PWM 調(diào)制輸出的六路控制信號(Sa 與S'a、Sb 與
Sb、Sc與其、Sx與&、Sy與S;、Sz與劣)分別控制六相逆變器的六個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān) 器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，這些控制信號高電平時(shí)為1，此時(shí)所控制的開關(guān)器件導(dǎo)通，低電平時(shí)為 0，此時(shí)所控制的開關(guān)器件關(guān)斷。這樣就保證了 α β平面的電壓分量作用在電機(jī)1上并產(chǎn) 生其運(yùn)行所需要的磁通和力矩，Z1Z2平面的電壓分量作用在電機(jī)2上并產(chǎn)生其運(yùn)行所需要 的磁通和力矩，這樣就不需要單獨(dú)的諧波濾波器來抑制各臺(tái)電機(jī)的零序分量了。不難發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)其中的一臺(tái)電機(jī)負(fù)載或轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，由于是把各臺(tái)電機(jī)閉環(huán)控制所得的電壓參考值 分別按照相序變換關(guān)系對應(yīng)相加，這樣逆變器輸出電壓實(shí)際上包含了兩個(gè)正交平面上的電 壓分量(這兩個(gè)平面的電壓分量是互不影響的)，也就自然地實(shí)現(xiàn)了逆變器閉環(huán)控制兩臺(tái) 電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行。研究在速度運(yùn)行模式下當(dāng)其中的一臺(tái)電機(jī)變速、變載等暫態(tài)變化時(shí)對另一臺(tái)電機(jī) 運(yùn)行的影響情況，考察力矩、逆變器輸出端電流波形的暫態(tài)變化規(guī)律以及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律等， 證明該系統(tǒng)中電機(jī)可以獨(dú)立運(yùn)行的可行性。利用兩臺(tái)原理樣機(jī)進(jìn)行了仿真研究，包括其中 一臺(tái)電機(jī)的變速運(yùn)行、變載運(yùn)行對另一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行有沒有影響等，分別如圖7、8所示。在圖7中，電機(jī)1運(yùn)行在300rpm，電機(jī)2靜止，給電機(jī)2設(shè)定500rpm轉(zhuǎn)速命令，轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線顯示電機(jī)2的加速并沒有對電機(jī)1的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，此時(shí)兩臺(tái)電 機(jī)的運(yùn)行是獨(dú)立的；電流曲線顯示逆變器的設(shè)定電流與輸出電流非常一致，由于兩臺(tái)電機(jī) 均為空載，穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩很小，逆變器輸出的電流也非常小。從仿真結(jié)果不難看出，當(dāng)電 機(jī)2加速過程中，對電機(jī)1的運(yùn)行沒有任何影響，因此，可以證明該系統(tǒng)的兩臺(tái)電機(jī)是解耦 運(yùn)行的。用階躍變化的負(fù)載對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行考察，電機(jī)1保持300rpm,電機(jī)2保持350rpm，對電機(jī)2突加負(fù)荷，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后突卸負(fù)荷，結(jié)果如圖8所 示，雖然電機(jī)2在負(fù)載突然變化時(shí)轉(zhuǎn)速發(fā)生了突然變化，但是對電機(jī)1的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是沒有任何影響的，證明了該系統(tǒng)的兩臺(tái)串聯(lián)電機(jī)是解耦運(yùn)行的。 為了從根本上驗(yàn)證串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中兩臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立解耦控制，進(jìn)一步對逆變器的 輸出電流進(jìn)行了頻譜分析，電機(jī)1運(yùn)行在150rpm，電機(jī)2運(yùn)行在450rpm，通過計(jì)算我們可以 得到電機(jī)1中相電流的電頻率應(yīng)該是10Hz，電機(jī)2中相電流的頻率應(yīng)改為30Hz。仿真結(jié)果 如圖9所示，逆變器a相的輸出電流包含IOHz和30Hz兩個(gè)主要頻率，與理論計(jì)算是一致的。
權(quán)利要求
一種單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于其具有兩臺(tái)定子繞組正弦分布的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)、與兩臺(tái)定子繞組正弦分布的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)相聯(lián)接的六相逆變器、檢測六相逆變器的六相輸出電流的電流傳感器、分別檢測兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)位置信號的兩個(gè)光電碼盤及系統(tǒng)控制單元，該系統(tǒng)控制單元是按照永磁同步電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的矢量控制策略分別對兩臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)變換得到兩臺(tái)電機(jī)的定子電壓給定值，再按照兩臺(tái)電機(jī)的相序聯(lián)結(jié)關(guān)系將定子電壓給定值疊加后，得到控制六相逆變器所需要的脈寬調(diào)制(PWM)信號；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子a1b1c1繞組為第一套繞組，它們的夾角分別為120°電角度，x1y1z1繞組為第二套繞組，它們的夾角也是分別為120°電角度，而a1與x1之間的夾角為30°電角度，b1與y1、c1與z1的夾角也分別為30°電角度，第一套繞組a1b1c1與第二套繞組x1y1z1之間的中點(diǎn)是隔離的；第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子a2b2c2繞組為第一套繞組，它們的夾角分別為120°電角度，x2y2z2繞組為第二套繞組，它們的夾角也是分別為120°電角度，而a2與x2之間的夾角為30°電角度，b2與y2、c2與z2的夾角也分別為30°電角度，第一套繞組a2b2c2與第二套繞組x2y2z2之間的中點(diǎn)是隔離的，第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的a1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的a2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的b1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的c2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的c1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的b2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的x1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的y2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的y1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的x2直接聯(lián)結(jié)；第一臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的z1相與第二臺(tái)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)的z2直接聯(lián)結(jié)。
2.權(quán)利要求1所述的一種單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串 聯(lián)系統(tǒng)的控制方法，其特征在于其包括如下步驟a、通過電流傳感器檢測六相逆變器的六相輸出電流，然后經(jīng)過式(1)的變換矩陣計(jì)算 變換后分別得到控制電機(jī)1的α β電流分量和控制電機(jī)2的Z1Z2電流分量；由兩臺(tái)電機(jī)的 光電碼盤1、光電碼盤2分別檢測出各自電機(jī)的位置信號，一方面用來進(jìn)行靜止坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)的變換，分別將電機(jī)1的α β電流分量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流分量idl、iql以 及電機(jī)2的Z1Z2電流分量轉(zhuǎn)變?yōu)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)下的電流分量id2、iq2 ；檢測出的位置信號的 另一方面用來進(jìn)行微分得到轉(zhuǎn)速的大小；在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下分別對兩臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)按 照定子激磁電流分量id = 0的控制策略進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制；b、將第一臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所得到的電壓信號ud、U(1以及第二臺(tái)六相永 磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制所得到的電壓信號ud2、uq2分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)到靜止坐標(biāo)的反變換 得到兩臺(tái)電機(jī)在靜止坐標(biāo)下的ua、U0和uzl、uz2 ；然后分別對ua、U0和uzl、uz2進(jìn)行2/6坐 標(biāo)變換(即式⑴的逆變換[ΤΓ1)就可分別得到控制電機(jī)1電壓信號的給定值t4—_4與 控制電機(jī)2電壓信號給定值<2―-U22，逆變器的脈寬調(diào)制控制電壓根據(jù)相序串聯(lián) 規(guī)貝1J對應(yīng)相力口，艮口<,Ug =Ubl +uc2 ,Uc =Ucl +Utb2 ,Ux =Uxl +Uy2 ,Uy =Uyl+Ux2、 uz = U21 + Uzl ,經(jīng)脈寬調(diào)制輸出的六路控制信號(Sa與&、Sb與4、Sc與S'c、Sx與&、Sy與4、Sz與52)分別控制六相逆變器的六個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，這些控制信 號高電平時(shí)為1，此時(shí)所控制的開關(guān)器件導(dǎo)通，低電平時(shí)為0，此時(shí)所控制的開關(guān)器件關(guān)斷， 這樣就可實(shí)現(xiàn)六相逆變器輸出電流的α β電流分量作用在電機(jī)1中并產(chǎn)生電機(jī)1所需要 的磁通和力矩，六相逆變器輸出電流的Z1Z2電流分量作用在電機(jī)2中并產(chǎn)生電機(jī)2所需要 的磁通和力矩，鑒于α β電流分量與Z1Z2電流分量分別在兩個(gè)正交的平面上，因此實(shí)現(xiàn)了 兩臺(tái)串聯(lián)雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)在同一臺(tái)六相逆變器驅(qū)動(dòng)下的獨(dú)立解耦運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單逆變器驅(qū)動(dòng)的雙Y移30°六相永磁同步電動(dòng)機(jī)雙電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)，其特征在于其具有兩臺(tái)六相永磁同步電動(dòng)機(jī)、六相逆變器、電流傳感器、兩個(gè)光電碼盤及系統(tǒng)控制單元；兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的a1b1c1繞組、x1y1z1繞組、a2b2c2繞組、x2y2z2繞組的夾角分別為120°，a1與x1、b1與y1、c1與z1、a2與x2、b2與y2、c2與z2的夾角分別為30°，a1與a2、b1與c2、c1與b2、x1與y2、y1與x2 z1與z2分別直接聯(lián)結(jié)，其按照電動(dòng)機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的矢量控制策略對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)變換得到電動(dòng)機(jī)的定子電壓給定值，按照相序聯(lián)結(jié)關(guān)系將該值疊加得到控制六相逆變器所需要的脈寬調(diào)制信號，本發(fā)明降低系統(tǒng)的成本、提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)的體積及重量，提高系統(tǒng)的效率。
文檔編號H02P6/04GK101931352SQ201010227960
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者何京德, 劉陵順, 趙國榮 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院