对称六相PMSM双电机串联系统直流母线电压利用率的研究

韩浩鹏，刘陵顺，张少一



对称六相PMSM双电机串联系统直流母线电压利用率的研究

韩浩鹏，刘陵顺，张少一

（海军航空工程学院控制工程系，山东烟台 264001）

对称六相PMSM双电机串联系统由一台对称六相PMSM串联另一台三相PMSM，在同一台六相电压源逆变器驱动下实现解耦运行。直流母线电压利用率的提高是该串联系统的关键问题之一。本文计算出了对称六相PMSM双电机串联系统逆变器工作在线性调制区的临界条件，分析了零序信号注入提高载波PWM直流母线电压利用率的方法，并通过Mtalab/Simulink仿真对几组工作点进行了验证。

对称六相PMSM 三相PMSM 载波PWM 零序信号注入 直流母线电压利用率

0 引言

在船舶推进、多电飞机、机车牵引以及造纸卷绕系统中需要用到多电机传动方法。近年来提出的对称六相PMSM双电机串联系统是由对称六相PMSM和三相PMSM串联构成的，该系统可以实现在同一台逆变器驱动下两台电机的解耦独立运行。由于对称六相PMSM双电机串联系统是通过同一台六相逆变器供电的，直流母线电压相对于传统逆变器驱动单台电机系统将有所提高。固此，对于该串联系统逆变器工作在线性调制区内如何提高直流母线利用率是一个值得研究的问题[1]。

传统的逆变器控制方法包括电流滞环PWM、载波调制PWM和SVPWM技术。其中载波调制PWM方法简单，易于实现，但在线性调制区内直流母线电压利用率较低。SVPWM技术在线性调制区内可以提高直流母线电压的利用率，但算法复杂，实现困难。采用零序信号注入的载波调制PWM技术则可以在线性调制区内提高直流母线电压的利用率[3]，使直流母线电压利用率达到和SVPWM相同的水平[2]。这种方法分别在单逆变器驱动五相双电机串联系统和单逆变器驱动七相三电机串联系统中已经得到了验证。和传统载波PWM控制相比，这种调制方法在线性调制区内可提高五相双电机串联系统及七相三电机串联系统直流母线电压利用率分别为5.15%和2.57%[4]。本文采用零序信号注入的载波调制PWM技术，分析了对称六相PMSM双电机串联系统在线性调制区内直流母线利用率提高的情况。

1 对称PMSM六相双电机串联系统

对称六相PMSM双电机串联系统的结构如图1所示，两台电机定子绕组通过一定的相序转换连接，通过矢量控制策略可以使两台电机独立地实现动态控制[5]。该逆变器的输出相定义为A,B,C,D,E,F；同时根据定子绕组的分布定义对称六相电机M1的相定义为a1,b1,c1,d1,e1,f1;三相电机M2的相定义为a2,b2,c2。逆变器的相电压和两台电机各自独立相电压的关系为：

固此，逆变器调制信号各相参考电压可以通过两台电机各自相电压参考值按照公式（1）相加得到：

这里电机的相电压参考值都设定为正弦信号，可以有任意的频率和峰值。

2 临界条件计算

利用这样的定义电机的相电压和线电压可以表示为M的方程式。M表示对称六相PMSM的调制系数，M表示三相PMSM的调制系数。

在线性调制区，直流母线电压最大利用率的临界条件是线电压峰值等于直流母线电压。由于三相系统中所有的线电压峰值都一样，固此只需考虑任一个线电压即可。而在多相系统中，则只需要考虑所有峰值不同的线电压[2]。

对于如图1所示的对称六相PMSM双电机串联系统而言，对称六相电机线电压可定义为：

三相电机的线电压可定义为：

进一步可推出六相逆变器的线电压为：

六相逆变器线电压中有3个峰值是不相同的，只需要进一步分析这3个线电压即可，则在线性调制区结合（4），（5）和（6）可得到不等式组为：

进一步可得:

3 零序信号注入载波PWM

基于零序信号注入载波PWM结构如图3所示。和传统的载波PWM相比，调制信号增加零序信号是为了改善调制信号，增大逆变器的调制范围，实现与高性能SVPWM同样的控制性能[3]。

图2 逆变器线性调制区

图3 PWM结构图

对称六相电机的相电压参考值定义为：

三相电机的相电压参考值定义为：

定义该串联系统的零序信号为：

逆变器调制信号电压参考值可以设定为：

4 仿真验证

下面将通过选取不同的(M,M)工作点仿真证明关于线性调制区临界条件的计算结果。载波频率设为5 kHz。考虑到对于串联系统而言串联电机工作频率相同时的运行环境最为苛刻，两组正弦电压的基波频率都设为50 Hz。这里载波的峰值设为1，因为逆变器驱动两台串联电机，所以将V设定为2。

选择工作点A（0.5，0.5），逆变器相关电压仿真结果如图4和图5所示，按照公式（2）得到传统载波PWM的调制信号参考电压，按照公式（11）得到零序信号，按照公式（14）得到通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压。通过零序信号注入载波PWM，逆变器A相输出电压的波形和频谱如图6所示。

图4 传统载波PWM的调制信号参考电压和零序信号

图5 通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压

从仿真波形可以看出：传统载波PWM的调制信号参考电压峰值等于载波峰值1；通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压峰值很明显低于载波峰值1，输出电压不含低次谐波。可以得到结论：（1）传统载波PWM时，本系统线性调制区最大调制指数为1；（2）零序信号注入的载波PWM时，工作点A处于线性调制区内部。

图6 逆变器A相输出电压波形与频谱

图8 通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压

选取工作点B（1，0.1547）, 逆变器相关电压仿真结果如图7和图8所示，按照公式（2）得到传统载波PWM的调制信号参考电压，按照公式（11）得到零序信号，按照公式（14）得到通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压。通过零序信号注入载波PWM，逆变器A相输出电压的波形和频谱如图9所示。

从仿真波形可以看出：通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压峰值等于载波峰值1，输出电压不含低次谐波。可以得到结论:零序信号注入的载波PWM调制时，本系统线性调制区最大调制指数为1.1547。

选取工作点C (0.7,0.7), 逆变器相关电压仿真结果如图10和图11所示，按照公式（2）得到传统载波PWM的调制信号参考电压，按照公式（11）得到零序信号，按照公式（14）得到通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压。通过零序信号注入载波PWM，逆变器A相输出电压的波形和频谱如图12所示。

图9 逆变器A相输出电压波形和频谱

图10 传统载波PWM的调制信号参考电压和零序信号

图11 通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压

图12 逆变器A相输出电压波形与频谱

从仿真波形可以看出：通过零序信号注入载波PWM的调制信号参考电压峰值很明显大于载波峰值1，输出电压含有3、5、7、9次低次谐波。可以得到结论:零序信号注入的载波PWM调制时，C点超出了线性调制区范围。

5 结语

本文探讨了零序信号注入载波PWM提高对称六相PMSM双电机串联系统逆变器直流母线电压利用率的问题，计算出该串联系统在线性调制区的最大线性调制指数M=1.154 7。并通过仿真验证了零序信号注入时可以实现最大线性调制指数M=1.154 7。如果不考虑零序信号注入则M=1，因此通过零序信号注入可以提高15.4%的最大线性调制指数，即可以提高15.4%的直流母线电压利用率。

[1] D.Dujic, E.Levi, M.Jones. DC bus utilization in multiphase VSI supplied drives with a composite stator phase number. Proc. IEEE int. Conf. on industrial Technology ICIT, Vifia del Mar, Chile, 2010, pp. 1475-1480.

[2] E.Levi. Analytical determination of DC-Bus utilization limits in multiphase VSI supplied AC drives. IEEE Trans.on Energy Conversion, 2008, 23(2): 433-443.

[3] 于飞, 张晓锋, 乔明忠. 基于零序信号注入的载波型多相PWM控制技术[J]. 电工技术学报, 2009, 24（2）: 127-131.

[4] Emil Levi, Martin Jones．A five-phase two-machine vector controlled induction motor drive supplied from a single inverter [J]．EPEJ, 2004, 14(3): 38-48.

[5] 苗正戈, 刘陵顺, 张海洋. 对称六相永磁同步电动机串联驱动系统[J]. 电机与控制应用, 2011, 38（7）: 17-21.

Research on DC-bus Utilization of Driver System with Symmetrical Six-phase Two-motor Connected in Series

Han Haopeng, Liu Lingshun, Zhang Shaoyi

（Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, YanTai 264001, Shandong, China）

TM351

A

1003-4862（2014）02-0006-04

2013-02-25

国家博士后科学基金（20090450205），山东省自然科学基金（ZR2010EM029）,国家博士后特别资助项目（201104769）

韩浩鹏（1988-），男，硕士。研究方向：电力电子与电力传动。