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    SVPWM控制2臺(tái)雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)的研究

    2012-06-26 05:36:44劉陵順張海洋苗正戈
    電氣傳動(dòng) 2012年8期
    關(guān)鍵詞:串聯(lián)矢量轉(zhuǎn)矩

    劉陵順,張海洋,苗正戈

    (海軍航空工程學(xué)院 控制工程系,山東 煙臺(tái) 264001)

    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,廣泛應(yīng)用于地鐵、機(jī)車牽引、擠壓機(jī)組、機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)合。而要推出性能優(yōu)良的機(jī)車牽引、機(jī)器人等工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(tái)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行問題[1]。

    PWM方法種類繁多,其中SVPWM由于其具有電壓利用率高、物理概念清晰、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在交流調(diào)速系統(tǒng)中[2-3],SVPWM應(yīng)用于多相電機(jī)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的研究會(huì)更復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)方法與應(yīng)用于普通調(diào)速系統(tǒng)相比有很多不同。因此,本文以2臺(tái)雙Y移30°永磁同步電機(jī)組成的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例,為了實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立運(yùn)行,闡述了SVPWM的控制原理,給出了基本電壓矢量具體的選取與計(jì)算方法。與id=0的矢量控制策略結(jié)合,進(jìn)行了變速變載運(yùn)行的仿真分析,證實(shí)了所提SVPWM控制策略的可行性。

    1 2臺(tái)雙Y移30°永磁同步電機(jī)串聯(lián)模型

    根據(jù)多相電路坐標(biāo)變化的一般理論,多相電機(jī)基于自然坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過解耦矩陣運(yùn)算后,電機(jī)轉(zhuǎn)矩完全由定子和轉(zhuǎn)子的d-q電流分量決定,而與它們的x-y電流分量和零序分量無關(guān)。因此,任意n相電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩控制只需要2個(gè)電流分量。所以,對(duì)于六相電機(jī)而言,可以用x-y電流分量來控制另一臺(tái)電機(jī),為此需將另一臺(tái)電機(jī)的定子繞組與第1臺(tái)電機(jī)定子繞組通過適當(dāng)?shù)南嘈蜣D(zhuǎn)換串聯(lián)在一起[4]。然而,要對(duì)2臺(tái)串聯(lián)電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立解耦控制,所用控制方法需要保證:一臺(tái)電機(jī)的磁通/轉(zhuǎn)矩生成電流不會(huì)在另一臺(tái)電機(jī)中生成磁通/轉(zhuǎn)矩。即一臺(tái)電機(jī)的d-q軸電流分量應(yīng)為另一臺(tái)的x-y分量,反之亦然。從而實(shí)現(xiàn)用1臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)的獨(dú)立解耦運(yùn)行。

    由逆變器輸出的六相電流經(jīng)過空間變換矩陣變換后,投影到3個(gè)正交的子空間中(d-q平面、x-y 平面和o1-o2平面),在d-q平面和x-y 平面的電流分量可以產(chǎn)生獨(dú)立控制的磁動(dòng)勢(shì)。其中d-q平面的電流分量用來控制第1臺(tái)電機(jī),x-y平面的電流分量控制第2臺(tái)電機(jī),2臺(tái)雙Y移30°電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)與逆變器連接如圖1所示[4]。

    圖1 2臺(tái)雙Y移30°PMSM串聯(lián)連接圖Fig.1 Two double Y shift 30°PMSM series connection

    基于id=0的矢量控制策略和SVPWM控制技術(shù)的2臺(tái)雙Y移30°PMSM串聯(lián)系統(tǒng)控制系統(tǒng)如圖2所示。

    圖2 2臺(tái)雙Y移30°PMSM串聯(lián)控制系統(tǒng)Fig.2 The controlling of two double Y shift 30°PMSM series system

    2 SVPWM控制原理

    2.1 矢量分布

    六相全橋逆變器共有26=64個(gè)空間電壓矢量,其中62個(gè)非零電壓矢量,2個(gè)零電壓矢量。另外62個(gè)非零電壓矢量中有2個(gè)矢量21(010101)和42(101010)為無效矢量,即abc或xyz繞組所在橋臂的上橋臂同時(shí)導(dǎo)通或者下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。60個(gè)有效非零矢量在d-q平面和x-y平面的投影分布如圖3所示。其中每個(gè)十進(jìn)制代表開關(guān)模式,可以轉(zhuǎn)換為6位二進(jìn)制數(shù),“1”代表逆變器橋臂的上開關(guān)導(dǎo)通,“0”代表下開關(guān)導(dǎo)通。

    式中:Vdqk為d-q子空間中的空間電壓矢量;Vxyk為x-y子空間中的空間電壓矢量;=[KaKxKbKyKcKz],Ka,L,Kz等為“1”時(shí)代表逆變器的上開關(guān)導(dǎo)通,“0”代表下開關(guān)導(dǎo)通。

    圖3 六相逆變器空間電壓矢量分布Fig.3 The distribution of six-phase inverter space voltage vector

    2.2 基本電壓矢量的選取與計(jì)算

    根據(jù)一個(gè)采樣周期的平均矢量概念,d-q平面和x-y平面的參考電壓矢量可以通過調(diào)整4個(gè)有效非零矢量和2個(gè)零矢量的應(yīng)用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。有效非零矢量可根據(jù)長(zhǎng)度分為4組,如圖4所示。以工作在d-q平面的電機(jī)1為例,選取d-q平面上的2個(gè)相鄰的最大矢量和在同一個(gè)方向上2個(gè)次大的電壓矢量為基本電壓矢量,這2組電壓矢量在x-y平面所張成的十二邊形又是最小和次大的,那么參考電壓矢量是由滿足這2個(gè)條件并在d-q平面彼此相鄰的2個(gè)大電壓矢量和2個(gè)次大電壓矢量合成的。如參考電壓位于圖4a的扇區(qū)B時(shí),則選擇48,56,57,52為基本電壓矢量。這4個(gè)矢量在x-y平面的投影如圖4b所示。

    圖4 參考電壓矢量在d-q平面扇區(qū)B的實(shí)現(xiàn)Fig.4 The distribution of reference voltage vector in the sector Bof d-q plane

    為了確保兩電機(jī)的解耦控制,即在控制電機(jī)1時(shí)不影響電機(jī)2的運(yùn)行,要求在一個(gè)周期內(nèi)電機(jī)1的基本電壓矢量在x-y平面的投影和為零,即Ts和Ts為零[5]。在一個(gè)采樣周期內(nèi),需要選擇5個(gè)電壓矢量(其中一個(gè)零矢量)才能保證在每一個(gè)采樣周期中有唯一解。作用在d-q平面上的每個(gè)電壓矢量的時(shí)間可以通過下式計(jì)算得出:

    式中:Tk(k=1,2,3,4,5)為作用在第k個(gè)電壓矢量上的時(shí)間;為第k個(gè)電壓矢量分別在d軸和q軸的投影;為第k個(gè)電壓矢量分別在x軸和y軸的投影分別為參考電壓矢量在d軸和q軸投影。

    六相逆變器輸出相電壓矢量瞬時(shí)值可以利用逆變器聯(lián)結(jié)矩陣關(guān)系[Mc]計(jì)算所得:

    逆變器輸出電壓矢量可以通過轉(zhuǎn)換矩陣轉(zhuǎn)換成d-q 平面、x-y 平面和o1-o2平面的矢量:

    其中

    同理,工作在x-y平面上的電機(jī)2的電壓矢量作用時(shí)間可通過下式計(jì)算得出:

    并且,如果T1+T2+T3+T4>Ts,做出以下調(diào)制:

    以d-q平面扇區(qū)B為例,其矢量作用順序和相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)如圖5所示,其中為高電平時(shí)(Sk=1)表示第k相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通,下橋臂開關(guān)關(guān)斷。

    圖5 SVPWM控制的矢量作用順序及開關(guān)狀態(tài)Fig.5 The order and the state of the SVPWM control vector switch

    2.3 工作平面的選取

    參考電壓矢量的選取必須能夠提高直流母線電壓的利用率,這里通過一個(gè)周期內(nèi)判斷d-q參考矢量和參考矢量的大小來決定開關(guān)矢量的選擇,即如果d-q平面的參考矢量大于x-y平面的參考矢量,則開關(guān)矢量由d-q平面的2個(gè)大矢量和2個(gè)次大矢量決定,反之,如果x-y平面的參考矢量大于d-q平面的參考矢量,則開關(guān)矢量由xy平面的2個(gè)大矢量和2個(gè)次大矢量決定。參考電壓矢量的選擇流程如圖6所示。

    圖6 參考電壓矢量選擇流程圖Fig.6 The flow chart of reference voltage vector′s selection

    3 串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析

    在Matlab/Simulink環(huán)境中建立串聯(lián)系統(tǒng)的模型。系統(tǒng)包括電機(jī)串聯(lián)模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、坐標(biāo)變換模塊、逆變器模塊等。對(duì)系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定如下:直流電壓Udc=300V;電機(jī)參數(shù):R=rs1+rs2=2.875Ω,L1=8.5mH,L2=12mH,Ψf1=0.175Wb,Ψf2=0.2Wb,p1=p2=4;運(yùn)動(dòng)參數(shù):J1=0.089kg·m2,J2=0.1kg·m2,F(xiàn)1=0.005,F(xiàn)2=0.01。

    首先對(duì)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變速運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析。電機(jī)1運(yùn)行在200r/min,電機(jī)2運(yùn)行在300r/min,0.5s時(shí)刻電機(jī)1加速到400r/min的仿真波形如圖7所示。

    圖7 電機(jī)1加速Fig.7 Motor 1speed up

    從仿真波形可以看出:當(dāng)電機(jī)1突然加速時(shí),電機(jī)1的q軸電流分量增加,電磁轉(zhuǎn)矩也隨著增加,達(dá)到給定轉(zhuǎn)速后,q軸電流分量降至零,轉(zhuǎn)矩也降為零;在電機(jī)1變速過程中電機(jī)2的轉(zhuǎn)速、q軸電流分量和轉(zhuǎn)矩大小均未變化;逆變器a相電流在電機(jī)1加速過程中幅值變大,由于逆變器的a相電流結(jié)合了2臺(tái)電機(jī)不同步的電流,因此波形不再是規(guī)則正弦波。

    然后對(duì)串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變負(fù)載情況進(jìn)行仿真分析。零負(fù)載的電機(jī)1,電機(jī)2運(yùn)行在300r/min,對(duì)電機(jī)2在t=0.5s時(shí)突加負(fù)載的仿真波形如圖8所示。

    從仿真波形可以看出,電機(jī)2負(fù)載突然增加時(shí)該電機(jī)的轉(zhuǎn)速稍微減小,電機(jī)2的q軸電流分量突增至某數(shù)值,電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡,隨后電機(jī)2轉(zhuǎn)速恢復(fù)至給定轉(zhuǎn)速;電機(jī)2突加負(fù)載的整個(gè)過程中電機(jī)1的轉(zhuǎn)速和力矩均不受影響,運(yùn)行穩(wěn)定;逆變器a相電流在電機(jī)2加負(fù)載時(shí)幅值變大,在電機(jī)2加負(fù)載過程中轉(zhuǎn)化為電機(jī)2的q軸電流分量。

    圖8 電機(jī)2突加負(fù)載Fig.8 Motor 2add load

    4 結(jié)論

    本文介紹了2臺(tái)雙Y移30°PMSM的串聯(lián)系統(tǒng)的工作原理,闡述了SVPWM控制該串聯(lián)系統(tǒng)的具體方法。在Simulink環(huán)境下建立了該串聯(lián)系統(tǒng)的仿真模型,仿真結(jié)果表明,SVPWM控制串聯(lián)系統(tǒng)的2臺(tái)電機(jī)在同一逆變器的驅(qū)動(dòng)下,可以實(shí)現(xiàn)解耦控制,即2臺(tái)電機(jī)可以獨(dú)立運(yùn)行。以此為基礎(chǔ),可以對(duì)多相電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。

    [1]Ward E E,Harer H.Preliminary Investigation of an Invertor-fed 5-phase Induction Motor[J].Proc.Inst.Elect.Eng.,1969,116(6):980-984.

    [2]Emil Levi.Operating Principles of a Novel Multiphase Multimotor Vector-controlled Drive[J].IEEE Trans.on Energy Convertion,2004,19(3):508-517

    [3]Zhao Y,Lipo T A.Space Vector PWM Control of Dual Three-phase Induction Machine Using Vector[J].IEEE Trans.,1995,31(5):1100-1109.

    [4]Levi M Jones,Vukosavic S N,et al.A Novel Concept of a Multiphase,Multi-motor Vector Controlled Drive System Supplied From a Single Voltage Source Inverter[J].IEEE Trans.Power Electr.,2004,19:320-335.

    [5]Iqbal A,Levi E.Space Vector PWM for a Five-phase VSI Supplying Two Five-phase Series-connected Machines[C]∥In Proc.Int.Conf.EPE-PESC,Portoroz,Slovenia,2006:222-227.

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