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1、双三相永磁同步电机矢量控制技术开题报告1. 课题来源及研究目的和意义多电机驱动系统作为运动控制研究领域的重要内容之一，广泛应用于地铁，机车牵引，挤压机组，机器人等应用场合。而要推出性能优良的机车牵引，机器人等工业驱动以及综合电力舰船系统就需要解决同一直流母线电源和同一逆变器供电的多台电机独立运行问题1。在过去的二十多年，越来越多的研究人员关注研究多相电机，因为多相电机相对于传统的三相电机存在诸多的显著优点，包括：减少转矩脉动，降低直流母线电流谐波含量，潜在的高效率，降低各相功率，由于较高的容错能力大大提高可靠性2。最常见的一种多相电机是双三相电机3，而双三相永磁同步电机是目前研究较为广泛的一种
2、多相电机，与传统的三相电机相比，双三相电机将基波电流产生的最低次谐波磁势提高到了11次，消除了对电机性能影响最大的5次、7次谐波磁势，大大减少了电机的转矩脉动，提升了电机性能4。所以我以双三相永磁同步电机为例来研究多相电机的多电机串联控制。多相电机驱动控制策略中，最具影响力和代表性的是基于空间矢量解耦的矢量控制。矢量控制方式的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。简单的说，空间矢量控制就是通过坐标变换将交流电机模型等效为直流电机，实现磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者
3、的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。所以对双三相永磁同步电机空间矢量控制技术的研究具有一定的研究意义。2. 国内外双三相电机矢量控制技术的历史和现状1995年Yifan Zhao和T.A.Lipo等人从向量空间解耦的角度构造了相移30双三相感应电机的变换矩阵5。该方法通过适当的坐标变化，将自然坐标系下六维空间中的变量映像到新基下的六维空间，新的一组基形成三个相互正交的二维子空间，从而可以在每个子空间中分别进行控制，而且每一个子空间中的分量对应于电机变量中一定次数的谐波。湖南大学的欧阳洪林和成兰仙等人基于此种方法建立了双三相永磁同步电动机的数学模型，但其研究对象主要为隐极电机，使得电机模型简
4、化，不具备代表性。2003年Nelson、Wu和1997年Aghaebrahimi等人则从双绕组的角度分别建立了双三相感应电机和同步电机的数学模型6,7。他们把双三相电机看成是两个三相电机的组合，用分析三相电机的方法来分析六相电机。所选用的变换矩阵为两个Clarke变换矩阵或Park变换阵的组合。这种变换方法一般称为双d-q变换。上海海事大学的谢卫、黄家圣以及哈尔滨工程大学的张敬南、刘勇、丛望基于这种方法对六相永磁同步电励磁电动机进行了建模分析，并利用 MATLAB/SIMULINK软件建立了其仿真模型，对其性能和参数影响做了系统的研究，但是所建立的数学模型不精确，仿真效果并不理想。Wu将推导
5、出的同步电机模型标么化处理后，得到了双三相同步电机的等效电路图。范子超等人在此基础上运用戴维南定理，提出了与普通同步电机完全等效的单绕组模型，并用理论分析和电压谐波分别证明和验证了等效模型的正确性。最后，仿真结果再次验证了等效模型，并从起动过程、转矩脉动、定转子电流等方面与普通同步电机做了对比。2009年赵兴涛以六相双 Y 移 30绕组永磁同步电动机为研究对象，详细分析了其数学模型和工作原理，提出了一种新的控制方法，并最终开发出一套高性能、高可靠性的双三相永磁同步电机驱动系统。该系统的实现在多相电机驱动系统研究领域具有一定的理论和实践意义8。2010年1月孟超研究了双Y移30永磁同步电动机电压
6、空间矢量脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术的2种矢量选择方式，提出一种新颖的空间矢量过调制技术9。过调制区域根据调制度分为4种模式。在过调制方式和中，对z1-z2电压平面上的电压矢量采用不同的优化策略。依据电压输出矢量自身的特性，提出了一种易于DSP实现的寻找次优解的方法。为进一步提高直流母线电压利用率，过调制方式和采用两电压矢量调制，不再对z1-z电压平面上的电压矢量进行优化。他通过仿真计算，对输出电压的波形和谐波成分进行分析。构造基于低功耗定点数字信号处理器TMS320F2812的7.5kW双Y移30永磁同步电动机控制系统。实验结果证实了提出方法的正确性和
7、可行性。2010年6月杨金波针对相移30Y型连接双三相永磁同步电机，分别采用双d-q变换和矢量空间解耦的方法建立了电机的数学模型10。前者从两套三相子系统的角度给出了电磁转矩的表达式以及两套绕组之间存在的耦合关系，后者则揭示了不同的电流谐波分量对机电能量转换所产生的不同的作用。根据两种不同的模型搭建了两套双三相永磁同步电机矢量控制系统，通过对两种控制策略的比较分析，指出了两者之间的内在联系和在控制效果上的等价性。开环的仿真实验对两种建模方法的一致性进行了验证，而闭环的仿真和实验结果则表明两种矢量控制方案在相同的控制参数下具有一样的控制性能。2012年刘陵顺，张海洋，苗正戈1研究了SVPWM控制
8、2台双Y移30PMSM串联系统。一定数量的多相电机通过适当的相序转换规则串联起来，使得该系统可以由1台逆变器供电而实现对所有串联电机的独立控制。以1台逆变器驱动2台双Y移30PMSM的串联为例，给出了串联系统的工作原理，为实现两电机的解耦运行，提出了一种新颖的SVPWM控制串联系统的方法。分析了SVPWM基本原理的具体实现方法。在Matlab/Simulink环境下，结合id=0的矢量控制策略，对电机的变载，变速运行进行了分析，验证了所提出的SVPWM控制策略的可行性。2014年Jussi Karttunen, Samuli Kallio, Pasi Peltoniemi等人研究了双三相永磁同
9、步电机的解耦矢量控制2。双三相电机与传统的三相电机相比有许多优点。然而，对于这类电机，目前的挑战是，使用电流控制很难产生足够的驱动能力。本文提出了一种改进的双三相永磁同步电机的矢量控制方案。本研究包括关键控制部分的详细解决方案，如：坐标变换，电流控制回路的解耦和调制。利用有限元分析和试验结果评价了所提出的控制方案的性能。结果表明，该方案可以产生期望的动态电流控制和保证平衡电流绕组之间的共享。此外，所提出的解决方案能够减少由电机的内部结构产生的电流谐波。然而，这个问题只是部分地解决了，因为彻底消除谐波是不可实现的。但是，所提出的控制方案克服了许多其他控制解决方案中发现的缺点。改善控制性使得双三相
10、驱动的全部优点被有效利用，即使在苛刻的应用条件下。3. 主要研究内容3.1 双三相永磁同步电机静止坐标系下数学模型在三相电机数学模型的基础上，分析双三相永磁同步电动机的绕组结构，双三相永磁同步电机的定子由两套Y型连接的三相对称绕组组成，两套绕组在空间上相距30电角度（一般两套绕组的中性点N1，N2是相互独立的）。由此可建立双三相永磁同步电动机在自然坐标系下的数学模型8。静止坐标系下的数学模型如下：电压方程： (3-1)其中为定子各相电压（V）；为定子各相电流（A）；为定子各相磁链（Wb）；,其中为定子每相电阻值（）磁链方程： (3-2)其中为转子永磁磁链（Wb）；为定子电感矩阵，包括绕组自感和
11、各绕组间的互感（H）；各相磁链作用系数，为定子相绕组与转子轴线的夹角（rad）； (3-3) (3-4)其中为定子各相漏感（H）；为任意两相绕组间的互感最大值（H）。电磁转矩方程： (3-5)其中为电机的极对数。运动方程： (3-6)其中为负载转矩（）；为转动惯量（）；为粘滞系数；为电机的机械角速度（rad/s）。3.2 双三相永磁同步电机解耦旋转坐标系下数学模型主要分析双三相永磁同步电机在六相静止坐标系下的数学模型，应用矢量空间解耦理论，推导出矢量空间解耦矩阵，由于双三相永磁同步电机的矢量控制都是在旋转坐标系进行的，所以需要将电机变量从六相静止坐标系变换到解耦后的旋转坐标系，推导出双三相永磁
12、同步电机在解耦旋转坐标系下的数学模型11，并指出对电机的控制等同于对d-q平面分量的控制，由此可将三相电机的控制策略经扩展应用到双三相电机上。解耦旋转坐标系下的数学模型如下：电压方程： (3-7)磁链方程： (3-8)其中为等效直轴电感（H），；为等效的轴电感（H），。电磁转矩方程为： (3-9)运动方程： (3-10)推导变换矩阵的方法：(1) 通过双三相永磁同步电机的不同次数的谐波矢量形式定义一个谐波向量，找到一组彼此正交的六维矢量组成新的标准正交基，通过这组标准正交基可以将这个六维系统内的任意矢量和子空间线性表出10。根据这组标准正交基可以得到双三相永磁同步电机从自然静止坐标系转换到轴系
13、下的变换公式。再根据双三相永磁同步电机从轴系下变换到轴系下的变换公式得到双三相永磁同步电机的数学模型由静止坐标系变换到轴系下的变换矩阵。 (2) 相移30的双三相电机绕组并不完全对称，不能直接采用多相Clarke变换理论11。但是由于其本质上是一个对称十二相电机，可以先按照十二相电机来选取变换矩阵，由多相Clarke变换理论得到的十二相静止变换矩阵，然后再利用各相电流和电压之间的约束关系来进行简化，得到从自然静止坐标系转换到轴系下的变换公式，进而得到双三相电机的变换矩阵，再根据双三相永磁同步电机从轴系下变换到轴系下的变换公式得到双三相永磁同步电机的数学模型由静止坐标系变换到轴系下的变换矩阵。最
14、后，根据双三相永磁同步电机的坐标变换矩阵可以得到双三相永磁同步电机双电机串联系统的坐标变换矩阵如下。静止坐标系转换到轴下的变换公式： (3-11)轴系下变换到轴系下的变换公式： (3-12)静止坐标系变换到轴系下的变换矩阵： (3-12)3.3 双三相永磁同步电机双电机串联系统定子绕组对称分布的多相电机通过一定的相序转换规则可以实现单逆变器驱动多电机串联系统，其原因在于冗余自由度的存在，非对称的多相电机同样具有冗余自由度，也能实现此类控制方案。主要分析单逆变器驱动双三相永磁同步电机双电机串联系统的运行原理，基于磁动势分析法，研究双三相永磁同步电机双电机串联系统的相序转换规则。对六相静止坐标系下
15、的电机模型通过变换矩阵进行解耦变换得到的矢量空间解耦数学模型与对称多相电机经过广义Clark变换得到的数学模型具有相似的性质：变换后得到的三对电流变量中，只有电流分量参与机电能量转换，电流分量（相当于对称电机中的电流分量）和电流分量只作为零序分量存在，因此，对定子绕组正弦分布的双三相永磁同步电机，也能实现单逆变器驱动多电机串联系统。由于只有一组电流分量，所以非对称六相电机串联系统中只有两台电机。可以根据六相自然静止坐标系转换到轴系下的变换矩阵的列来确定两台电机的连接的方式。得到双三相永磁同步电机双电机串联系统的结构：图1 单逆变器驱动双三相PMSM双电机串联系统3.4 双三相永磁同步电机双电机
16、串联系统矢量控制技术六相全桥逆变器共有2=64个空间电压矢量，其中62个非零电压矢量，个零电压矢量。另外62个非零电压矢量中有个矢量21(0 1 0 1 0 1)和42(1 0 1 0 1 0)为无效矢量，即或绕组所在桥首先对64个空间电压矢量进行计算，通过计算结果绘出空间电压矢量分布图，如图1图2所示；然后是基本电压矢量的选取与计算；最后对工作平面采用一定的方法进行选取。图1 平面空间电压矢量分布图图2 平面空间电压矢量分布图选取基本电压矢量的方法：(1) 最大两矢量11如果只考虑与机电能量转换相关的平面内的电压矢量的合成，选取平面最外层的12个电压矢量作为基本电压矢量来合成参考电压。(2)
17、 最大四矢量10，11如果同时控制两个子空间中的电压矢量，仅选取两个基本矢量是不够的，至少应该选用四个基本矢量才能够完成对一个四维参考矢量的合成。通常选取平面幅值最大且相邻的四个电压矢量作为基本电压矢量来合成电压参考矢量。(3) 两个最大矢量和两个次大矢量10最大四矢量控制算法直流母线利用率较高，但电流谐波含量较大，如果选取平面两个幅值最大的电压矢量和同一方向上两个幅值次大的电压矢量作为基本电压矢量来合成电压参考矢量，能够有效降低谐波含量，但它是以牺牲直流母线利用率为代价的。工作平面的选取：参考电压矢量的选取必须能够提高直流母线电压的利用率，这里通过一个周期内判断-参考矢量和参考矢量的大小来决
18、定开关矢量的选择，即如果-平面的参考矢量大于-平面的参考矢量，则开关矢量由-平面的基本电压矢量决定，反之，如果-平面的参考矢量大于-平面的参考矢量，则开关矢量由-平面的基本电压矢量决定。参考电压矢量的选择流程。3.5 双三相永磁同步电机双电机串联系统仿真利用MATLAB仿真工具，采用基于的矢量控制策略，搭建双三相永磁同步电机双电机串联系统仿真模型，根据三相电机的工程设计方法设计其控制参数，通过仿真结果验证控制方法的正确性和空间矢量控制方法下两台双三相永磁同步电动机的独立运行。双三相电机双电机串联系统框图如下：图1 双三相电机双电机串联系统框图4. 研究方案及进度安排，预期达到的目标研究方案：根
19、据基本的电路和电磁感应原理，推导出双三相永磁同步电机的数学模型；采用矢量空间解耦的建模方法，建立双三相永磁同步电机的矢量空间解耦数学模型；根据研究多相电机相序转换规则的方法研究双三相永磁同步电机双电机串联系统的相序转换规则，建立基于磁动势分析法的相序转换规则；采用SVPWM算法对双三相永磁同步电机双电机串联系统进行控制，使用Simulink仿真验证双三相永磁同步电机双电机的独立运行。进度安排：2013.12.16-2014.02.28: 查找阅读参考文献并筛选一篇英文参考文献翻译，推导双三相永磁同步电机的数学模型，研究串联系统相序转换规则和矢量控制技术；2014.03.01-2014.03.3
20、1: 撰写开题报告，制作PPT； 2014.04.01-2014.05.10: 搭建仿真模型进行仿真实验，撰写中期报告；2014.05.11-2014.06.22: 完善前期设计并撰写毕业论文；修改毕业论文，准备毕业答辩；2014.06.25-2014.06.27: 提交论文等材料。预期实现的目标：推导出双三相永磁同步电机的数学模型和矢量空间解耦数学模型，研究明白双三相永磁同步电机双电机串联系统的相序转换规和矢量控制技术，仿真验证双三相永磁同步电机双点击串联系统的独立运行。5为完成课题已具备和所需的条件和经费已具备和所需的条件：电脑和MATLAB软件。已具备和所需的经费：无。6. 研究中可能遇
21、到的问题和解决的措施研究中可能遇到的问题：双三相永磁同步电机的矢量控制需要64个电压矢量，计算和仿真时都十分繁琐，容易出现问题；PI调节器的参数不易确定。解决的措施：仔细计算64个电压矢量，尽量采用编程的方法降低繁琐程度，仿真时要认真，寻求更简单但不失准确的简洁方法；调节PI参数时注意调节规律并灵活使用。7. 主要参考文献：1刘陵顺, 张海洋, 苗正戈. SVPWM控制2台双Y移30PMSM串联系统的研究J. 电气传动, 2012, 42(8): 39-42.2 Jussi Karttunen, Samuli Kallio, Pasi Peltoniemi. Decoupled Vector
22、Control Scheme for Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 61(5): 2185-21963 E. Levi, R. Bojoi, F. Profumo, H. A. Toliyat, and S. Williamson, Multiphase induction motor drivesA technology status review, IET Elect. Power Appl., vol. 4
23、, no. 1, pp. 489516, Jul. 2007.4 杨金波, 杨贵杰, 李铁才. 双三相永磁同步电机的建模与矢量控制J. 电机与控制学报, 2010, 14(6): 1-7.5 Zhao Yifan，Lipo T A. Space vector PWM control of dual-three phase induction machine using vector space decomposition J. IEEE Transactions on Industry Applications,1995,31(5)：1100-1109.6 Wu Xiaojie, Jiang
24、Jianguo, Dai Peng, Zuo Dongsheng. Full Digital Control and Application of High Power Synchronous Motor Drive with Dual Stator Winding Fed by Cycloconverter. The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems. 2003, (2):1194 - 11997 M.R.Aghaebrahimi, R.W.Menzies. A Transient Mo
25、del for the Dual Wound Synchronous Machine. IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. 1997, 2: 862 865.8 赵兴涛. 双三相永磁同步电动机驱动控制系统的研究D. 哈尔滨工业大学硕士学位论文, 2009: 20-27.9孟超, 欧阳红林, 刘伟候, 王铭. 双Y移30永磁同步电机的空间矢量调制J. 中国电机工程学报, 2010, 30(3): 90-98.10孟超. 双三相永磁同步电机驱动系统的研究D. 湖南大学博士学位论文, 2011: 23-25.11 杨金波. 双三相永磁同步电机驱动技术研究D. 哈尔滨工业大学博士学位论文, 2011: 20-27.
