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异频供电永磁推进电动机矢量控制的数学模型与仿真

（清华大学电机工程与应用电子技术系，电力系统及大型发电设备安全控制与仿真国家重点实验室，北京100084）

济南大地锐城5#、6#楼后浇带施工方案Modelandsimulationsofdissimilar

YUAN Xinmei, XU Yunjie, QIU Arui. DENG Qi

State Key Laboratory of Control and Simulatio of Power Systems and Generation Equipment Department of Electrical Engineering， Tsinghua University,Beijing 100084,China）

推进电动机是船舶综合电力推进系统的核心设 备 。随着船舶额定载质量的增长，配套推进电动机的

异频供电永磁推进电动机的结构

这种特殊的永磁推进电动机结构，如图1 分利用传统大容量电机转子铁心磁轭内

机轴之间的空间，再安放1套（或多套）定子和转子， 以产生同轴的电磁转矩，从而提高电动机的功率密 度，以满足舰船电力推进电动机大容量、高转矩、低 转速的要求。同时，2套（或多套）定转子模块的结 构，还提高了紧急状态下系统的可靠性，当其中一套 模块发生故障时，其他模块可以继续工作。 下面以2套不同极对数定转子模块的异频供电 永磁推进电动机为例，介绍对其进行矢量控制的 方法。

异频供电永磁推进电动机结构（圆筒型转子

异频供电永磁推进电动机的数学

设初始状态电机外层定转子模块（极对数p） d 轴在空间上落后内层定转子模块（极对数p2）d 轴α电角度，如图2所示

1一永磁体；2一转子铁心；3—转轴

图2表面式永磁转子结构

因为内外层模块之间只有机械连接，所以异频 供电永磁推进电动机内外层的dq坐标下数学模型 可以分别列写[4]

9=020+p22dt =0+α+p22dt

a=Laia+n =Lglq1; a2=La2²d2+f =La2²2

由于本文中L=L，L=L，上式可化简为：

eml=Pn²ql Tem2=pr22

式中：下标1、2表示外、内层定转子模块参量；0 为转子位置角；0为转子初始位置角；Ω2为转子机 械角速度；为转子电角速度；R为定子绕组每相 电阻（i=1,2)；La、L为定子绕组d、q:轴电感 (i=1，2）；为永磁体产生的励磁磁链（i=1，2）： J为系统总转动惯量（包括负载的机械折算）；K

为系统阻力系数；T，为负载转矩

对于2套不同极对数定转子模块的异频供电永 磁推进电动机的矢量控制，本文采用对2个定子电 流矢量进行独立的闭环控制。它的结构可以看成是 2个普通电机电流矢量控制的闭环单元并联，每套 控制分别依照最大转矩/电流控制的原则进行 控制5]。 由传统永磁推进电动机控制可知，在表贴式永 磁同步电机中La=L。，可以推导出保持ia=0就可 以保证转矩/电流最大控制；因此，对于异频供电的 永磁推进电动机，只要令定子各自的三相合成定子 电流矢量与相应相应转子。轴重合时，就可以通过 调整直流量il、i（外、内层转子q轴电流）来控制 转矩，实现内外层定转子都以最大转矩/电流输出 功率。 由于永磁体产生的励磁磁链、是常量，如 果设电动机外层、内层定转子模块输出的额定转矩 分别为TN、TN，则可近似认为

TNI 一 Pynq1 p2f2ia2

清华大学学报（自然科学版）

2007.47(4)

值由速度调节器的输出乘以一个比例系数得到，其 他部分的调节与外层定转子模块的电流闭环类似 以上处理同时解决了两套模块之间电流、转矩的分 配平衡问题

图3异频供电永磁推进电动机最大转矩 电流控制系统框图

因此，假如已知外层定转子模块的g轴电流参考值 为i，则内层定转子模块的g轴电流参考值为

P4nTN2 Xi ref2 PyT

本文以MATLAB/Simulinkversion7.0.1 Release146为仿真平台，建立异频供电永磁推进电 动机控制系统的仿真模型。 仿真所用电机模型参数如表1所示，电机电压 u为380V，转速nv为187.5r·min。

式（7)提出了一种按额定转矩分配轴电流给 定值的方法，这种控制方法使得当外层定转子输出 额定转矩时，内层定转子的输出转矩也为额定值，也 就是根据内外层模块的转矩输出能力来按比例分配 转矩，从而有效地达到高转矩的输出。 从以上分析可得到异频供电永磁推进电动机的 最大转矩/电流控制系统框图，如图3所示。整个系 统利用转轴转速和2套定转子模块各自的转子位置 角，利用Park变换实现了交流量到直流量的解耦。 系统采用2个串联的闭环分别实现电动机的转速和 转矩控制。外环转速控制与传统永磁电动机类似，将 转轴实际转速与给定参考值进行比较后，输入速度 PI调节器，输出作为转矩控制的输入。内环转矩控 制又由2个并联的电流闭环实现：速度PI调节器 的输出可直接作为外层模块。轴电流参考值，与实 际采样电流比较后作为电流PI调节器的输入，其输 出为外层模块的电压参考值，再经过Park反变换即 可产生控制逆变器开关的脉宽调制（PWM）信号； 对于内层定转子模块的电流闭环，其g轴电流参考

jtt 1391—2021 客车自动破窗装置表1 仿真所用电机模型参数

模型中采用电流滞环比较的方法产生PWM 转矩初始设定为500N·m，在0.1s跳变为700N m，以下为仿真得到的结果。 1）定子电流波形如图4所示。 2）定子线电压波形（0.1～0.2s)如图5所示。 3）转矩波形如图6所示。 4）转速波形如图7所示。 从仿真结果中可以看出，本文提出的异频供电 永磁同步电动机矢量控制的方法控制效果良好，电

图4定子电流波形（i、i为外、内层定子电流）

图5定子线电压波形（u、u驿南府rsvg设备安装施工组织设计，为外、内层定子线电压）

机的转矩和转速都具有良好的动静态性能，并且，内 外层电磁转矩出力实现了设定的比例，使电机输出 转矩大于任意一台单机的输出，从而提高了永磁同 步电机的功率密度

异频供电永磁同步电动机是一种新型的高功率 密度推进电机，它通过在电机原有的转子中嵌入另 套定、转子，使电机在体积不变的情况下提升转矩 和功率的输出。为了在运行中充分发挥其内外层模 块的输出能力，就要求有相应的控制算法对两组硬 连接的定转子进行协调控制，于是本文提出了异频 供电永磁同步电动机的矢量控制方法，有效地分配 了2组模块的转矩输出。从仿真结果可以看到，控制 算法运行效果良好，达到了高转矩的输出。以上研究 也为异频供电永磁推进电动机控制系统的样机试验 提供了理论基础。