無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

1、.專題2：無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)研究現(xiàn)狀 無刷直流電機的控制方式按照有無轉(zhuǎn)子位置傳感器來劃分，可以分為:有位置傳感器控制方式和無位置傳感器控制方式。有位置傳感器控制方式，指在無刷直流電動機定子上安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信急，來控制電子換相電路中的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，保證電機各相按順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。BLDCM中常用的位置傳感器有電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器等。無位置傳感器控制方式是指BLDCM不直接安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機運轉(zhuǎn)過

2、程中，控制電流換相的轉(zhuǎn)子位置信號還是需要的，因此，BLDCM無位置傳感器控制研究的關(guān)鍵是架構(gòu)轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號。為此，國內(nèi)外的研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，提出了很多種位置信號檢測方法。主要分為以下幾大類：a) 通過檢測的電壓、電流，通過基本的電機方程，經(jīng)算術(shù)運算得到轉(zhuǎn)子位置；b) 通過檢測反電勢得到轉(zhuǎn)子位置； c) 通過觀測器得到轉(zhuǎn)子位置； d) 通過智能控制方法得到轉(zhuǎn)子位置，方法（c）、（d）都是（a）的深入； 1.2.1 通過測量量和電機方程檢測轉(zhuǎn)子位置的方法這種方法還能分為以下幾種不同的小類：通過檢測的電壓和電流計算磁鏈1、2、3、4、5；利用實

3、際檢測的電壓電流和一個模型的電流電壓預(yù)測值的差值來求解6、7；通過電機方程導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置和電機參數(shù)、電壓電流的關(guān)系來求解8。從電機的電壓平衡方程：，我們可以得到：，只要知道轉(zhuǎn)子初始位置、電機參數(shù)、磁鏈和轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，就能得到轉(zhuǎn)子位置，通過磁鏈的變化率就能得到轉(zhuǎn)子速度5。 第二種方法最初是由N. Matsui提出的。將實際的電壓電流通過dq變換，和另一個假定坐標(biāo)系下的電壓電流進(jìn)行比較，這個假定的坐標(biāo)系和dq軸間的夾角為。在假定坐標(biāo)系下計算得到的電壓和dq軸電壓在假定坐標(biāo)系下投影的差值可表示為：就是轉(zhuǎn)子位置這個時刻和上一時刻的差值。 第三種方法是利用電機參數(shù)、方程、測量量、參考模型理論和坐標(biāo)變換計

4、算轉(zhuǎn)子位置和速度。測量的電壓和電流分別轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)子和定子dq軸參考模型中，定子、轉(zhuǎn)子參考模型的關(guān)系如下:（1）（2）（3）（4）利用以上關(guān)系將定子參考模型的方程代入到轉(zhuǎn)子參考模型電壓方程中，利用定子側(cè)檢測到的參數(shù)，我們就可以得到轉(zhuǎn)子位置了。最終求解位置和速度的分別方程為：（5）（6）1.2.2通過檢測反電勢得到轉(zhuǎn)子位置的方法通過檢測電機反電勢來獲得轉(zhuǎn)子位置信號的方法，一般統(tǒng)稱為“反電勢法”。根據(jù)對反電勢的不同處理方法，反電勢法又可以細(xì)分為反電勢過零檢測法9、10、11、鎖相環(huán)技術(shù)法13、反電勢邏輯電平積分比較法14、反電勢3次諧波積分法15、續(xù)流二極管法16等。1.2.2.1 反電勢過零檢測法

5、在無刷直流電機中，繞組的反電勢通常是正負(fù)交變的，當(dāng)某相繞組的反電勢過零時，轉(zhuǎn)子直軸恰好與該相繞組軸線重合，因此只要檢測到各相反電勢的過零點，就可獲知轉(zhuǎn)子的若干個關(guān)鍵位置，再根據(jù)這些關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子位置信號，做相應(yīng)的處理后控制BLDCM換相，從而省去轉(zhuǎn)子位置傳感器，實現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機控制。這是日前應(yīng)用最廣泛的無位置傳感器BLDCM控制方法。這種方法的缺點是靜止或低速時反電勢信號為零或很小，難以準(zhǔn)確檢測繞組的反電勢，因而無法得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號，系統(tǒng)低速性能比較差，需要采用開環(huán)方法進(jìn)行起動;另外，為消除PWM調(diào)制引起的干擾信號，需要對反電勢信號進(jìn)行深度濾波，這樣造成與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)的信號相移，

6、為了保證正確的換相需要對此相移進(jìn)行補償。圖1 BLDC理想的反電勢和電流波形12圖2 BLDC反電勢過零的離散信號12 從圖1中可以看出A相反電勢過零點后，再延時30。電角度， A相導(dǎo)通，A相導(dǎo)通120。電角度后，到150。電角度時關(guān)斷A相，切換到B相導(dǎo)通。依此類推，就可以實現(xiàn)電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。有文章提出9，經(jīng)過濾波后，可認(rèn)為經(jīng)過了90。相移，那么，它所對應(yīng)的觸發(fā)相就不是原來的相，如圖2所示，或?qū)?yīng)B相或C相。不管對應(yīng)哪一相，這些都是可以自己定義，下面介紹兩種檢測電路。如圖3、圖4所示。圖3 基于端電壓的反電勢檢測電路11圖4 基于相電壓的反電勢檢測電路111.2.2.3 反電勢邏輯電平積分比較

7、法 該方法對所檢測非導(dǎo)通相反電勢的處理與其他方法完全不同，它是將兩路非導(dǎo)通相反電勢進(jìn)行過零比較處理，得到邏輯電平后再對兩路邏輯電平進(jìn)行積分，由于這兩路邏輯電平積分值關(guān)系反映了相位關(guān)系，因此可用于確定電機轉(zhuǎn)子磁場位置。 假設(shè)電機電動工作，且相繞組電流連續(xù)，、為換相時刻，、為反電勢過零時刻，見圖7。利用過零比較器將電機非導(dǎo)通相反電勢信號、分別轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號、。電機相繞組導(dǎo)電期間，繞組端電壓為一脈沖序列，其幅值在與(儲能電容電壓)之間以功率管的開關(guān)頻率切換，因此導(dǎo)通相反電勢難以直接測量，故該時間段反電勢及其邏輯電平信號均用虛線表示，如A相反電勢和其邏輯電平信號在和區(qū)間用虛線表示。由圖7可知，根據(jù)

8、相位關(guān)系，換流時刻與反電勢過零時刻滿足下列關(guān)系(以時間段為例)（7）對非導(dǎo)通相反電勢邏輯電平進(jìn)行積分，即在和時刻分別對和進(jìn)行積分，顯然時刻積分值和的比值等于，即兩個積分值滿足（8）由此可見，反電勢邏輯電平積分值關(guān)系反映了相位關(guān)系，即當(dāng)兩個積分值滿足13關(guān)系時為兩相換相時刻，因此可得無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁場檢測信號。雖然前面所述均以電動工作為例，但適用于制動運行。圖7 反電勢邏輯電平積分比較法波形圖(電動工作)1.2.2.4 反電勢3次諧波積分法 三次諧波積分檢測法適用于聯(lián)結(jié)、三相對稱、氣隙磁通密度為梯形波的無刷直流電機。顯然，在梯形波的氣隙磁通密度中，除了基波分量外，主要還包括三次諧波分量，如圖

9、8所示。圖中：為電動機a相繞組反電動勢，為反電勢的三次諧波分量，為轉(zhuǎn)子磁通的三次諧波分量，為轉(zhuǎn)子磁通的基波分量，、為定子繞組三相電流。由圖8知道，轉(zhuǎn)子磁通的三次諧波分量的每次過零時刻正好對應(yīng)于一次側(cè)電流換相（即三相六拍中的一拍），所以只要知道某一過零點對應(yīng)三相六拍中的哪一拍，則這些過零點就可以用來控制逆變器的換相了。做到這一點并不難，要檢測a相相電壓，只要知道a相電壓正向過零時刻，那么其后的轉(zhuǎn)子磁通三次諧波分量的6個過零點分別對應(yīng)六拍，這樣就可以正確控制逆變器的換相了。通過理論分析，我們可以得到，只要將三相端電壓相加，就可以獲得三次諧波電壓信號。電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。圖8 反電動勢、轉(zhuǎn)子磁通及各

10、相電流波形圖9 三次諧波信號的檢測方法1.2.2.5 續(xù)流二極管法這種方法通過檢測續(xù)流二極管的導(dǎo)通來判斷換相。假設(shè)電機轉(zhuǎn)子位于6-1扇區(qū)，且V1采用PWM調(diào)制，V6恒通，其余功率開關(guān)都關(guān)斷，主電路原理如圖10所示。圖10 主電路原理示意圖 如圖所示，每當(dāng)V1關(guān)斷時，二極管D4續(xù)流，可以證明，這時C相端電壓滿足:（9）其中、分別是IGBT和續(xù)流二極管的正向?qū)▔航?。由上式可知，續(xù)流二極管D2的導(dǎo)通條件是，則有（10） 由于不等式右邊項的數(shù)值很小，同時在過零點附近，所以可近似認(rèn)為當(dāng)續(xù)流二極管D2導(dǎo)通時C相反電動勢過零，從而判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。但是，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速很低時，反電動勢幅值很小，這時檢測誤差就

11、很大。而當(dāng)電機參數(shù)的變化、反電動勢過零點附近的波動都會引起檢測誤差；而且還需要硬件檢測電路判別關(guān)斷相續(xù)流二極管的通斷。由于存在這些缺點，這種方法并沒有得到廣泛應(yīng)用。1.2.3通過觀測器得到轉(zhuǎn)子位置的方法 狀態(tài)觀測器法的基本思想就是以電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置角、電流等參數(shù)為狀態(tài)變量，在定義狀態(tài)變量的基礎(chǔ)上對電機建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)字濾波的方法得出狀態(tài)變量的離散值，從而實現(xiàn)對電機的控制。“狀態(tài)觀測器法”比較好的解決了電機在高速、重載情況下難于控制的問題，其良好的抗干擾能力使其更適用于惡劣的工作環(huán)境?！盃顟B(tài)觀測器法”龐大的運算量在一定程度上限制了它的應(yīng)用。從使用的觀測器種類來劃分，可分為以下幾種類型：擴(kuò)

12、展卡爾曼濾波器17、18（Extended Kalman Filter，簡稱EKF）、非線性觀測器19（Non-linear observer）、全階觀測器2（Full-order observer）、降階觀測器20（Reduced-order observer）、滑模觀測器21（Sliding-mode observer）等。 對于具有隨機干擾的非線性系統(tǒng)，卡爾曼濾波器是最優(yōu)的遞推估計器。EKF通過建立電機的數(shù)學(xué)模型，周期性地檢測外加電壓、不導(dǎo)通相反電勢和負(fù)載電流等變量，利用特定算法得到電機轉(zhuǎn)子的位置以及速度的估計值。通過比較估計值與設(shè)定值的差值后經(jīng)PID調(diào)節(jié)，達(dá)到了控制電機的目的，它是一種

13、遞推型濾波算法。在電機控制中，由于需要實現(xiàn)的控制目的不同，因此，選取的狀態(tài)變量以及建立的系統(tǒng)模型和觀測模型也不盡相同。如對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，需要選取定子磁鏈作為狀態(tài)變量，相應(yīng)的使用磁鏈閉環(huán)觀測器作為系統(tǒng)模型。在進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時，需要選取轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置作為狀態(tài)量，相應(yīng)的使用機電方程作為系統(tǒng)模型。擴(kuò)展卡爾曼濾波器計算量大，對系統(tǒng)參數(shù)敏感以及需要初始位置信息，這些缺點阻礙了它的實際應(yīng)用。1.2.3通過智能控制得到轉(zhuǎn)子位置的方法22 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是在觀測器法的基礎(chǔ)上，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而誕生的一種控制方法。它通過自適應(yīng)技術(shù)，模糊控制策略或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略來建立被測相的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置的相互關(guān)系，

14、基于被測相電壓和電流來獨立地獲得轉(zhuǎn)子位置信號，借以提高轉(zhuǎn)子位置檢測精度的方法。其優(yōu)點在于具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等特性，可在線設(shè)計神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)規(guī)則，因此在解決速度和位置推算、對電動機參數(shù)和負(fù)載擾動的自適應(yīng)問題以及對測量噪聲敏感等問題上有其獨特的優(yōu)點。文章22中，利用估計的磁鏈，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，得到轉(zhuǎn)子位置。其方程為：(11)為估計的定子磁鏈專題4A：永磁同步電動機的先進(jìn)傳動控制技術(shù)-基于定子轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù)研究現(xiàn)狀 永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小質(zhì)量輕；損耗少，效率高；電機的形狀和尺寸可以多樣等顯著優(yōu)點，應(yīng)用范圍越來越廣泛。永磁同步電機由于定子采用了分?jǐn)?shù)槽等技術(shù)降低了其磁場諧

15、波分量，使其輸出波形更接近于正弦，更加易于控制，具有很好的調(diào)速性能被越來越多的應(yīng)用于工業(yè)場合和日常生活中。電機的控制技術(shù)有以電壓頻率比控制為代表的早期的標(biāo)量控制，以轉(zhuǎn)子磁場定向控制為代表的矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制以及以模糊控制為代表的智能控制技術(shù)等各種策略。其中矢量矢量控制技術(shù)最早是在1971年由德國學(xué)者Blaschke提出，應(yīng)用在感應(yīng)電機調(diào)速中，此后這項技術(shù)演化出基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)、基于定子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)、基于氣隙磁場定向的矢量控制技術(shù)等分支1,2，并被廣泛應(yīng)用在各種交流電機控制中。基于定子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)從上世紀(jì)80年代末開始提出并被廣泛研究應(yīng)用于感應(yīng)電機、雙饋電機

16、中3,4，在永磁同步電機控制中也有少許應(yīng)用5,6。本文分析一種應(yīng)用于永磁同步電機的定子磁鏈定向的矢量控制策略，它是基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方法改進(jìn)得到的，保留了轉(zhuǎn)子磁鏈定向的動態(tài)性能好、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，而且能夠通過對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系及定子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵磁電流分量的關(guān)系進(jìn)行規(guī)劃提高電機的運行效率和功率因素。2 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制原理2.1 永磁同步電機的矢量關(guān)系1,2,7,8永磁同步電機依轉(zhuǎn)子磁鋼位置安排有三種結(jié)構(gòu)，永磁體面裝式嵌入式和內(nèi)置式9,10，前者為隱極電機氣隙均勻，后者為凸極電機氣隙不均勻，在電機做等效分析時表示為直交軸電樞反應(yīng)電抗的不同。但在分析電機定轉(zhuǎn)子與氣隙

17、的磁鏈關(guān)系時仍可以用相同的形式表示，先以面裝式為例介紹，然后推廣到嵌入式和內(nèi)置式永磁同步電機。面裝式永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)矢量圖如圖1所示1,11圖1面裝式永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)矢量圖由圖1知永磁同步電機中定子磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系為：（1）式中表示的是電樞磁場，表示的是永磁勵磁磁場。定子磁鏈?zhǔn)噶?可表示為（2）（3）且有（4）（5）上式中表示的是電樞漏磁場；表示的是氣隙磁場。式（1）表明，面裝式永磁同步電機是雙邊勵磁電動機，電樞磁場和勵磁磁場各自由定、轉(zhuǎn)子獨立勵磁。且由式（5）表明其中氣隙磁場由雙邊勵磁而確定。對于內(nèi)置式永磁同步電機定子磁場與轉(zhuǎn)子氣隙磁場和漏磁場的關(guān)系也可以用式（3）表示，電樞漏磁場可以用式（

18、4）表示，氣隙磁場可以用式（5）表示，只是在進(jìn)一步細(xì)化時將交直軸電感和電流分量分開然后矢量合成。2.2 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制提出背景分析【1，2】基于上述永磁同步電機的矢量模型如果采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，控制電樞磁場，由于幅值恒定，那么就決定于 ，在恒轉(zhuǎn)矩運行區(qū)，控制相位為90°電角度，電樞磁場與永磁勵磁磁場正交，此時面裝式永磁同步電機的定子磁場幅值隨定子電流變化而變化，其關(guān)系為 （6）在恒功率運行區(qū)， 相位大于90°電角度，進(jìn)入弱磁區(qū)，對進(jìn)行分解，在面裝式永磁同步電機中將式（6）改寫為 （7）則有 （8）在內(nèi)置式永磁同步電機中交直軸電感不同則有 （9）

19、由于在基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制中定子磁場的幅值不可控，分析式（3）可知若忽略電樞漏磁鏈，則有，永磁同步電機的鐵芯損耗基本集中于電樞側(cè)，而氣隙磁場幅值將會決定電動機主磁路的飽和程度，如果定子磁鏈不控，則氣隙磁鏈可能進(jìn)入飽和這將加大鐵芯損耗，要控制定子磁鏈的幅值也就是在間接控制氣隙磁鏈的幅值。在另一方面由電壓方程式可以得出在電機運行時電機功率因數(shù)會由于電流矢量幅值的變化而變化，影響電機控制性能。 （10）寫成頻域方程可表示為 （11）如果忽略定子電阻，則有 （12）在圖（1）中可以看出隨著定子電流矢量的幅值和相位的變化，和間的相位將隨之變化，電動機功率因數(shù)也將隨之變化，近似超過90°電

20、角度，因此會隨定子電流矢量幅值的增大而變壞。 由上述分析知基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制的兩個缺陷將會影響電機的控制性能，需要引入一種控制方法既能達(dá)到轉(zhuǎn)子矢量控制的穩(wěn)定性又可以改善其不足?；诙ㄗ哟艌龆ㄏ虻氖噶靠刂普脻M足這個控制目標(biāo)。2.3 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制原理1,2,4,5定子磁場定向是將MT同步旋轉(zhuǎn)軸系定向在定子磁場的矢量方向上，矢量圖如圖（2）所示。圖2 表貼式永磁同步電機定子磁場定向矢量圖在永磁同步電機中電磁轉(zhuǎn)矩方程式（13）寫成標(biāo)量形式如式（14）所示，表明，通過控制定子磁場的幅值和定子電流分量就可以控制轉(zhuǎn)矩。 （13） （14）式（14）中是定子電流矢量的軸分量，稱為

21、轉(zhuǎn)矩電流，在圖（2）中軸仍是沿轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)軸系。定子磁鏈?zhǔn)噶康姆悼梢员硎緸椋?（15）且有 （16） （17）上式中為和間的相位角，由獲得的和的值就可以估算出和。 在MT 軸系中定子電壓矢量方程可表示為式（19） （18）寫成標(biāo)量形式有 （19） （20）由于MT軸系沿定子磁場定向，有，（19）、（20）式可以簡化為 （21） （22）由式（21）、（22）及（14）共同構(gòu)成定子磁場定向控制的矢量控制系統(tǒng)。2.4 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制應(yīng)用1,4,5,12結(jié)合2.3節(jié)的原理分析得出定子磁場定向控制的矢量控制系統(tǒng)的框圖，這種控制是在MT同步軸系中將分解為和,通過控制就控制了

22、幅值的勵磁分量，也即控制了定子磁場，是控制電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，通過控制可以控制轉(zhuǎn)矩。圖3 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制框圖在上圖中定子磁鏈幅值是由FG1給出的，F(xiàn)G1是磁鏈規(guī)劃曲線，目的是通過控制對鐵心損耗進(jìn)行的優(yōu)化，控制電機的運行效率。FG2是對定子電流分量進(jìn)行優(yōu)化，控制無功電流與有功電流之間的關(guān)系使其運行在單位功率因數(shù)下并且電流調(diào)節(jié)器不至于飽和。在圖（3）中給定轉(zhuǎn)矩與反饋回來的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過比較通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器得到一個轉(zhuǎn)矩控制電流，其又與估出的轉(zhuǎn)矩電流比較通過電流調(diào)節(jié)器最后得到定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定值；給定轉(zhuǎn)矩經(jīng)過定子磁鏈規(guī)劃得到定子磁鏈幅值的給定值，然后與估出的定子磁鏈幅值進(jìn)行比較，得出其差值

23、經(jīng)過定子磁通調(diào)節(jié)器得到定子電流磁場分量的增量給定值,然后與經(jīng)過定子電流分量規(guī)劃得到的值相加得到定子電流磁場分量給定,再與估算得到的定子電流分量比較經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得到最后的定子電流磁場給定值，經(jīng)過MT軸系到DQ軸系的變換后，再由DQ軸系變到ABC軸系，給定電流調(diào)節(jié)PWM逆變器通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)各相電壓值便可以控制永磁同步電機的運行。系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子磁鏈與參考軸的的夾角可以由光電編碼器檢測并經(jīng)過計算得到。、由電流采樣得到，經(jīng)過變換并結(jié)合估算得到的相移可計算得到同步旋轉(zhuǎn)MT軸上定子電流的勵磁與轉(zhuǎn)矩分量與。系統(tǒng)中磁通與定子磁鏈幅值及負(fù)載角是通過估算得到，其中由于電機運行中發(fā)熱會導(dǎo)致材料磁性能發(fā)生變化因此在

24、參數(shù)估算時需要溫度補償4,12。（1） 損耗與磁鏈規(guī)劃曲線FG1電機一般要求在額定的磁鏈下運行，以便得到高輸出轉(zhuǎn)矩/電流比和比較快的瞬態(tài)特性，但工業(yè)傳動系統(tǒng)通常在大部分時間里是輕載運行，如果輕載時仍維持電機的磁鏈為額定值，則其鐵損將會很大，效率將會降低。鐵損是磁鏈和頻率的函數(shù)，隨著磁鏈從額定值開始減小，鐵損也將減少，但電機的銅損和變流器損耗將會增加，總損耗減小到最小時又開始增加，將磁鏈設(shè)為一個最優(yōu)值，使電機整體的效率達(dá)到最優(yōu)。對于電機在電動和再生兩種運行模式下的轉(zhuǎn)矩情況，相應(yīng)的磁鏈規(guī)劃是對稱的，但在額定轉(zhuǎn)矩下，磁鏈應(yīng)為額定值，此時不存在效率改善的問題，但隨著轉(zhuǎn)矩逐漸下降，效率改善效果將變得明顯

25、，磁鏈規(guī)劃也變得更有意義。圖4 定子磁鏈規(guī)劃圖（4）是某臺永磁同步電機中為提高效率而對磁鏈優(yōu)化的結(jié)果，點1對應(yīng)的是零轉(zhuǎn)矩輸出，點2對應(yīng)的是額定轉(zhuǎn)矩輸出時的定子磁鏈值。在給定為額定轉(zhuǎn)矩時，磁鏈為額定值以便保證最快的加速度，但在穩(wěn)態(tài)輕載時，減小磁鏈以提高效率。通常設(shè)計電機讓其在額定轉(zhuǎn)矩和額定速度時的效率最高 。由于鐵損也受速度的影響，因此磁鏈也應(yīng)該隨著速度的變化而變化，在電機傳動系統(tǒng)中設(shè)置磁鏈優(yōu)化要考慮到各種不同電機的特點單獨進(jìn)行仿真來確定規(guī)劃曲線。（2） 定子電流分量規(guī)劃FG2根據(jù)永磁同步電機同步轉(zhuǎn)速軸系中的向量關(guān)系（圖（1），定子電流被標(biāo)上在一個任意滯后功率因數(shù)角處，電流可被分解為定子磁場定向

26、的MT軸系中的一對分量。根據(jù)電機的運行特性電機的工作區(qū)可以分為兩個部分，恒功率區(qū)與恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域里轉(zhuǎn)矩可以通過電流進(jìn)行控制，磁鏈可通過圖（4）的規(guī)劃維持在某個值。電機啟動在開始時電機并未啟動先建立勵磁磁鏈，此刻電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩在由0增加到額定值時要求定子磁鏈幅值也同時增大，那么要求增大也即其分量、增大直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。由于分量、所起的作用不同，分別代表無功功率與有功功率分量，需控制其量值大小，讓電機盡可能運行在接近于單位功率因數(shù)的狀態(tài)下。由定子電壓方程（式（11）結(jié)合同步旋轉(zhuǎn)軸系向量圖（圖（1），可知若不計定子電阻的影響，相位便超前90°電角度，與軸一致，通過控制在軸系中的相位

27、，即可控制功率因數(shù)角，如果控制接近為0，則，功率因數(shù)就近似為1。因此需要對電流分量進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃曲線如圖（5）所示。圖5 定子電流規(guī)劃3 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制與永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的聯(lián)系和比較本文介紹的定子磁鏈定向控制是基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，定子磁鏈由轉(zhuǎn)子永磁勵磁磁鏈與電樞磁場合成，可以在矢量圖上看出轉(zhuǎn)子磁鏈與定子磁鏈間相差一個負(fù)載角。在基于定子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)中，將同步旋轉(zhuǎn)的MT軸系沿著定子磁場方向定向，在MT軸系里對定子電流進(jìn)行分解，應(yīng)用基于MT軸分解的電壓分量方程，實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的矢量控制。基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制則是在同步旋轉(zhuǎn)軸系里對定子電

28、流進(jìn)行分解，應(yīng)用基于軸分解的電壓分量方程因此兩者從矢量磁場定向的角度看控制思想是一致的，但由于定向軸不同兩者控制方式也不相同。在2.2節(jié)及2.4節(jié)分析中可以看出在提高系統(tǒng)運行效率方面由于將磁鏈定向在定子上更容易按照電機負(fù)載變化對運行性能進(jìn)行優(yōu)化。同樣由在2.2節(jié)及2.4節(jié)分析可以看到將磁鏈定向在定子上控制定子電流勵磁分量能夠比較容易的使系統(tǒng)功率因數(shù)接近單位功率因數(shù)，而轉(zhuǎn)子磁場定向則比較復(fù)雜。由于定子磁鏈定向是基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎(chǔ)上，由圖（3）永磁同步電機定子磁場定向矢量控制框圖也可看出，其需要先得到轉(zhuǎn)子的等效電感參數(shù)，和轉(zhuǎn)子磁鏈值，因此需要對轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行給定，然后對定子磁鏈進(jìn)行估計。對面裝式

29、永磁同步電機來說電機轉(zhuǎn)子磁鏈比較容易獲得，由轉(zhuǎn)子磁場參數(shù)計算獲得定子磁鏈也比較容易，但在內(nèi)置式永磁同步電機中，由于轉(zhuǎn)子凸極性，直交軸磁場相同，且由于電感飽和導(dǎo)致直交軸間存在非常復(fù)雜的耦合效應(yīng)，使得對定子磁鏈的精確估計非常困難，計算等效定子電感或定子磁鏈時要考慮定子電流的作用，定子等效電感是定子電流交直軸電流分量的函數(shù)，需要通過建模和仿真得到 12，這比轉(zhuǎn)子磁場定向直接通過觀測器來估計磁鏈要復(fù)雜。4 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制與永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的聯(lián)系和比較從永磁同步電機定子磁場定向控制的轉(zhuǎn)矩是定子磁鏈與定子轉(zhuǎn)矩電流分量之間叉積，而直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩方程反映轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈與定子磁鏈之間

30、的叉積關(guān)系。通過定子磁場定向的約束條件即定子磁鏈的磁鏈T軸分量為0，由磁鏈?zhǔn)噶亢铣煽梢越⒍ㄗ愚D(zhuǎn)矩分量與轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈之間的關(guān)系，從而能夠?qū)⒅苯愚D(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩寫成與定子磁場定向控制的轉(zhuǎn)矩相同的方程式，由此可見兩種控制具有內(nèi)在聯(lián)系。定子磁場定向矢量控制是基于ABC軸系的電壓矢量方程在MT軸上建立電壓分量方程，直接轉(zhuǎn)矩控制則是在基于ABC軸系的電壓矢量方程將磁鏈的變化量在徑向和切向方向分解建立電壓徑向方程與切向方程，兩者電壓方程形式上一致，結(jié)合對轉(zhuǎn)矩比較的分析可以看出直接轉(zhuǎn)矩控制實質(zhì)上是基于定子磁場定向的轉(zhuǎn)矩控制。在一些文獻(xiàn)里也將直接轉(zhuǎn)矩控制叫定子磁鏈控制8 。在控制方式上永磁同步電機定子磁場定向矢

31、量控制具有矢量控制的特點，其基本控制思想是將定子電流作為控制變量，通過控制定子電流勵磁分量來控制定子磁場，在此基礎(chǔ)上通過控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量來控制電磁轉(zhuǎn)矩，它首先要進(jìn)行磁場定向，然后通過矢量變換，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變換為ABC軸系中的三相電流，是通過控制定子電流來間接控制電磁轉(zhuǎn)矩，在這一過程中經(jīng)過了磁場定向，矢量變換和定子電流控制等環(huán)節(jié)。而直接轉(zhuǎn)矩控制是直接將定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩作為控制變量，無需進(jìn)行磁場定向、矢量變換和電流控制，動態(tài)響應(yīng)比較快。撇開復(fù)雜的系統(tǒng)解耦問題，在保持定子磁鏈幅值恒定的磁鏈自控制前提下，按效果直接控制轉(zhuǎn)矩2,13。與定子磁場定向矢量控制相比直接轉(zhuǎn)矩

32、控制主要優(yōu)點是采用定子磁鏈控制而不受電機轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，但直接轉(zhuǎn)矩控制采用非圓的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的砰一砰控制，從而成為影響其性能特別是低速性能的關(guān)鍵1。5 永磁同步電機定子磁場定向矢量控制技術(shù)的發(fā)展通過90年代到現(xiàn)在發(fā)表的大量文獻(xiàn)可以看出定子磁場定向技術(shù)在感應(yīng)電機控制方面應(yīng)用比較廣泛14,15,16,17。這是因為于感應(yīng)電機中的轉(zhuǎn)子磁鏈定向需要轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識，轉(zhuǎn)子磁鏈比較難于估計，而定子磁鏈定向可以避免轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，從而促進(jìn)了感應(yīng)電機的定子磁場矢量控制技術(shù)。目前感應(yīng)電機定子磁場定向技術(shù)正在向著無速度傳感器、模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 18,19,20方向發(fā)展。各種其他控制方法也不斷的涌現(xiàn)，出現(xiàn)了磁場

33、定向技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相結(jié)合的控制方法21。但在永磁同步電機里的應(yīng)用比較復(fù)雜應(yīng)用較少。較早將其應(yīng)用于同步電機的有Das, S.P. Chattopadhyay, A.K 22 ,其中Bimal K.Bose將其最早應(yīng)用于內(nèi)置式永磁同步電機中5,6,12，其在應(yīng)用時定子磁鏈估計中由于電流非線性耦合作用采用了由仿真得出的經(jīng)驗公式，且其獲得的參數(shù)在不同的電機中不能通用，其定子磁鏈規(guī)劃與定子電流規(guī)劃是由仿真先計算出一條最優(yōu)的曲線，然后在控制系統(tǒng)中查表，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這些因素都制約了其在永磁同步電機控制中的應(yīng)用。專題4B：永磁同步電動機的先進(jìn)傳動控制技術(shù)-直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究現(xiàn)狀 永磁同步電機及控

34、制技術(shù)是在永磁材料進(jìn)步，電力電子器件技術(shù)革新等條件下發(fā)展起來的。永磁同步電機由于其高功率密度，高轉(zhuǎn)矩/慣量比，高效率和高功率因數(shù),以及省電和運行可靠等特點，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用1,2。在永磁同步電機開始廣泛應(yīng)用時，電力電子器件、適合工業(yè)控制的處理器等都己經(jīng)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，因而永磁同步電機的調(diào)速理論是在一個較為良好的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。永磁同步電機的調(diào)速基本方式可以分成三種，調(diào)壓頻比控制（VVVF），磁場定向矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）3。VVVF是一種開環(huán)的控制策略，因為沒有反饋信號使得系統(tǒng)無法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩,控制精度也低，控制是一種建立在似穩(wěn)態(tài)基礎(chǔ)上的控制策略，其動態(tài)性能較差。

35、自從70年代矢量控制技術(shù)提出以來，交流調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能得到了很大的提高并可與直流傳動相媲美。矢量控制技術(shù)，轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法實現(xiàn)了對交流電機的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解藕。然而，實際上由于轉(zhuǎn)子磁鏈難于準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電機參數(shù)的影響較大，以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果難于達(dá)到理論分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型的具有高性能的交流電機控制技術(shù)，以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜、動態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和迅速發(fā)展。永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，用空間矢量的分析方法，采用定子磁場定向，直接計算與控制交流電機的轉(zhuǎn)矩，借助于

36、離散的兩點式調(diào)節(jié)(Band-Band control)產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩控制。然而，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在永磁同步電機上的研究還并非十分完善，在有些方面仍存在欠缺，比如說電磁轉(zhuǎn)矩脈動大和低速性能差等是非常棘手的問題，使得系統(tǒng)達(dá)不到期望的最佳控制效果4。本文針對以上問題, 研究了永磁同步電機常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制，仿真驗證了基本的DTC具有良好的動態(tài)性能但轉(zhuǎn)矩脈動較大，深入分析表明造成轉(zhuǎn)矩脈動的本質(zhì)是電壓矢量少等5。為減小轉(zhuǎn)矩脈動，又提出了一種基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法（SVM -DTC）6。仿真結(jié)果表明該方法保持了基本D

37、TC優(yōu)良的動態(tài)性能，同時可以明顯減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動，具有更好的動、靜態(tài)性能，而且響應(yīng)速度快，從而運行更加平穩(wěn)7。2 直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理及其實現(xiàn) 2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的原理8在對三相永磁同步電動機控制的分析中，各空間矢量是以轉(zhuǎn)子dq 坐標(biāo)表示的，此時取d軸與永磁勵磁磁場軸線一致，即d軸與空間矢量是重合的，D軸也定義A相定子繞組上，如圖1所示。圖1 定子DQ和轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)中的定子磁鏈空間矢量在轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)中，電磁轉(zhuǎn)矩公式表示為： （1）若以定子電流矢量表示，則有： （2）定子磁鏈?zhǔn)噶吭赿q坐標(biāo)系中的2個分量、可表示為 （3） （4）由（3）和（4）可得到，并將其代入（1）式得： （5）結(jié)合圖1可

38、以看出，當(dāng)定子電阻忽略不計時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角就是負(fù)載角。調(diào)節(jié)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈都可以改變負(fù)載角，但是因為永磁同步電機的電氣時間常數(shù)小于機械時間常數(shù)，也就是說，調(diào)節(jié)定子磁鏈比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁鏈來得容易，因此，一般的來說通過控制定子磁鏈來調(diào)節(jié)負(fù)載角，用以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩。圖2給出了轉(zhuǎn)矩與負(fù)載角的曲線，可以看出，當(dāng)負(fù)載角增加到某一值后，如果再繼續(xù)增加，則轉(zhuǎn)矩反而開始下降。圖2 轉(zhuǎn)矩-負(fù)載角關(guān)系曲線由式可得： （6）定義 為凸極率，時，磁阻轉(zhuǎn)矩為負(fù)，因此，可能會因為磁阻轉(zhuǎn)矩地影響，使得總轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩地變化不一致。為了保持總轉(zhuǎn)矩和負(fù)載角的變化一致，要求下式成立 （7）令，可得可求出最大負(fù)載角。綜上所述

39、，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的理論基礎(chǔ)為，保持定子磁鏈幅值不變的情況下，控制定轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角來控制電磁轉(zhuǎn)矩，要想得到轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)就應(yīng)該快速的改變負(fù)載角。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，既要盡可能的增大磁鏈幅值以獲得更大的轉(zhuǎn)矩，又要限定幅值大小，以保證轉(zhuǎn)矩變化和負(fù)載角變化一致，同時也要限制電機的最大轉(zhuǎn)矩輸出，使得電機的負(fù)載角限制在最大負(fù)載角范圍內(nèi)。2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)9（1）電壓空間矢量的生成 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,交流電機由晶體管電壓源逆變器(VSI)供電,為了討論方便起見，把三相逆變器與交流電機視為一體,其調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖如圖3所示。圖中六個功率開關(guān)器件都用開關(guān)符號代替,可以代表任意一種開關(guān)器件。圖

40、中的逆變器采用上、下管換流，功率開關(guān)器件共有八種工作狀態(tài)，定義三個開關(guān)函數(shù)，上橋臂器件導(dǎo)通用數(shù)字“1”表示,即當(dāng)，下橋臂器件導(dǎo)通用數(shù)字“0”表示，即，則上述八種工作狀態(tài)按照ABC相序依次排列分別表示為100，110，010，011，001，101以及111和000。從逆變器的正常工作看,前六種工作狀態(tài)是有效的,后兩個狀態(tài)是無效的,因為逆變器這時并沒有輸出電壓。電壓源逆變器提供的八種開關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)定子電壓空間矢量的幅值和空間相位如圖所示4。圖3 三相逆變器調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖圖4電壓空間矢量圖 (2) 磁鏈分區(qū)以及開關(guān)表的確定為了選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶恳钥刂贫ㄗ哟沛湻?，把電壓矢量平面劃分為六個區(qū)域

41、,如圖5所示。在每一區(qū)域，可以選擇兩個相鄰壓矢量來增加或減小磁鏈的幅值。例如，當(dāng)磁鏈在區(qū)域時，假設(shè)磁鏈按逆時旋轉(zhuǎn),電壓矢量可以增大磁鏈幅值，可以減小磁鏈幅值,其它區(qū)域依此類推。圖5 扇區(qū)及空間電壓矢量選擇把六個區(qū)域里可選擇的空間電壓矢量制成表1,表中表示轉(zhuǎn)矩的控制要求,表示增大轉(zhuǎn)矩，表示減小轉(zhuǎn)矩。表示磁鏈的控制要求,表示增大磁鏈,表示減小磁鏈, 表示轉(zhuǎn)矩保持不變。表1 電壓空間矢量選擇表110-110010（3）永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖圖6是直接轉(zhuǎn)矩控制同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的簡化整體框圖。圖中VSI表示電壓源型逆變器，它能提供如前所述八個開關(guān)電壓矢量。將定子磁鏈?zhǔn)噶繉嶋H幅值與給定值的差值

42、輸入磁鏈滯環(huán)比較器,同樣將轉(zhuǎn)矩實際值與給定值比較后的差值輸入轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器,根據(jù)兩個滯環(huán)比較器的輸出,由表1給出的開關(guān)電壓查詢表,可以確定開關(guān)電壓矢量的選擇。但是,在查詢前,需要提供定子磁鏈?zhǔn)噶康奈恢眯畔?圖中的表示的是區(qū)間順序號。圖6 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點和轉(zhuǎn)矩脈動直接轉(zhuǎn)矩控制也可以說是定子磁場定向的矢量控制，與常說的矢量控制，即轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不需要任何電流調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換和PWM信號發(fā)生器。盡管直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但它能獲得優(yōu)良的動、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩控制性能。它的主要特點有：直接在定子坐標(biāo)系下采用空間矢量概念分析電機的數(shù)學(xué)模型，控制

43、電機的磁鏈與轉(zhuǎn)矩，不需要解耦，不需要矢量坐標(biāo)變換，信號處理過程簡單明了；直接以電機轉(zhuǎn)矩為控制對象，不必通過控制電流、磁鏈等來間接控制轉(zhuǎn)矩，所以，定子電流與磁鏈的波形并非很理想，但轉(zhuǎn)矩的控制效果很顯然；通過了離散的兩點式調(diào)節(jié)(Bang-Bang控制)。產(chǎn)生逆變器控制信號電壓型逆變器能夠選擇輸出6個非零空間電壓矢量，這六個電壓矢量在空間上相隔分布，如圖4所示。電壓矢量的切換不是連續(xù)的，而是步進(jìn)式的。磁鏈可近似為電壓矢量的積分，在電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過程中，磁鏈的空間角度是連續(xù)變化的，這樣就會導(dǎo)致磁鏈和電壓矢量的夾角同樣是躍進(jìn)式的，最終造成了電機轉(zhuǎn)矩的脈動。需要注意的是，脈動的轉(zhuǎn)矩同時包含有直流成分和交流

44、成分。其中，直流成分影響著系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，無論在高速還是低速運行狀態(tài)下，都會導(dǎo)致系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間延長；脈動轉(zhuǎn)矩的交流成分會導(dǎo)致速度的脈動，在電機高速運轉(zhuǎn)時，雖然磁鏈和電壓矢量的夾角仍是步進(jìn)式的，但是磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度極快，在極短的時間里可以消除夾角躍變的影響，即此時脈動轉(zhuǎn)矩的交流成分頻率很高，反映到速度相當(dāng)于經(jīng)過一個積分環(huán)節(jié)，高頻的脈動成分會被濾掉，不會導(dǎo)致速度的脈動，在電機低速運行時，磁鏈旋轉(zhuǎn)速度變慢，脈動轉(zhuǎn)矩的交流成分頻率較低，會造成轉(zhuǎn)速的周期性脈動。3 電壓空間矢量脈寬調(diào)制的研究 交流電動機僅由常規(guī)的逆變器供電,磁鏈軌跡是六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場。這是因為在一個周期內(nèi)逆變器的工作狀態(tài)只切換六次，切換

45、后只形成六個電壓空間矢量。如果想獲得更多邊線或逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，就必須在每一個周期間內(nèi)出現(xiàn)多個工作狀態(tài)，以形成更多的相位不同的電壓空間矢量10。為此，必須對逆變器的控制模式進(jìn)行改造。采用線性組合法控制SVPWM的開關(guān)時間，可以得到逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。圖7表示由電壓空間矢量的線性組合構(gòu)成新的電壓矢量。設(shè)在一段換相周期時間中,有一部分時間處于工作狀態(tài),另一部分時間處于工作狀態(tài)。由于都比較短,所產(chǎn)生的磁鏈變化比較小,可以分別用電壓矢量來表示,這兩個矢量之和表示由兩個矢量線性組合后的電壓矢量，與矢量的夾角就是這個新矢量的相位,它與的相位都不同了。根據(jù)各段磁鏈增量的相位求出所需的作用時間。由圖7可得

46、（9）用相電壓合成電壓空間矢量 （10）由相電壓與線電壓關(guān)系并化簡得 （11）圖7電壓空間矢量定義在常規(guī)的逆變器中一個扇區(qū)僅包含兩個開關(guān)工作狀態(tài),實現(xiàn)SVPWM控制就是要把每一個扇區(qū)再分成若干個對應(yīng)于時間的小區(qū)間。按照上述方法插入若干個線性組合的新電壓空間矢量,以獲得優(yōu)于正六邊形的多邊形(逼近圓形)旋轉(zhuǎn)磁。若干個開關(guān)電壓矢量逼近的參考空間電壓矢量，它的控制方式與其他方法不同之處在于，它不需要在三相中每一項使用調(diào)節(jié)器，而是把綜合電壓矢量作為一個整體來處理。這樣,就可以在一個開關(guān)周期內(nèi)選擇最合理的，合成的電壓空間矢量來完全補償電機轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的觀測值與參考值之間的誤差。不僅使得電機轉(zhuǎn)矩脈動降低,

47、電流波形畸變減少,而且與常規(guī)的技術(shù)相比直流電壓利用率有所提高,并且易于實現(xiàn)數(shù)字化。4 系統(tǒng)仿真分析3為了驗證以上理論分析的正確性和新型控制策略的有效性，以一臺永磁同步電機為對象，分別將常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和基于SVPWM策略的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如下：圖8、圖9、圖10分別為采用常規(guī)DTC和FEVE-DTC-SVM的永磁同步電機轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈以及定子磁鏈軌跡的仿真比較圖。由圖8，圖9可以看出,采用SVM-DTC策略的永磁同步電機控制系統(tǒng)所得到的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈脈動明顯有所減小,近似于平滑波形,而常規(guī)的DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的脈動卻很大，這是因為常規(guī)的本身特性決定，常規(guī)DTC

48、在采用兩個滯環(huán)控制器和零電壓空間矢量來獲得轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速性的同時犧牲了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(a) 常規(guī) DTC(b) SVM-DTC圖8 從零轉(zhuǎn)速加速到1000r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩(a) 常規(guī) DTC(b) SVM-DTC圖9 從零轉(zhuǎn)速加速到1000r/min的定子磁鏈(a) 常規(guī) DTC(b) SVM-DTC圖10 從零轉(zhuǎn)速加速到1000r/min的定子磁鏈軌跡(a) 常規(guī) DTC(b)SVM-DTC圖11 從零轉(zhuǎn)速加速到1000r/min的定子相電流（啟動）(a) 常規(guī) DTC(b)SVM-DTC圖12 從零轉(zhuǎn)速加速到1000r/min的定子相電流（穩(wěn)態(tài)）(a) 常規(guī) DTC(b)SVM -DTC

49、圖13 轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)由圖10可以看出,采用SVM-DTC策略的永磁同步電機控制系統(tǒng)所得到的定子磁鏈軌跡是一個平滑的圓形,不像常規(guī)DTC系統(tǒng)那樣,定子磁鏈軌跡不規(guī)則,脈動大,毛刺較多,說明采用SVM-DTC策略系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于常規(guī)的DTC系統(tǒng)。在常規(guī)DTC中圖8（a）顯示了轉(zhuǎn)矩的脈動很大，遠(yuǎn)大于滯環(huán)比較器所設(shè)定的0.1T-N，而圖9，10所表示的磁鏈脈動完全在滯環(huán)比較器的控制之內(nèi)。轉(zhuǎn)矩脈動大的原因是電流的脈動大，如圖11(a),12（a）所示。由此可以看出控制周期100us內(nèi)，電流的變化很大，由此也導(dǎo)致了很大的轉(zhuǎn)矩變化，當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定從-6N·m階躍至+6N·m時，電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)如

50、圖13（a）所示。而SVM-DTC用時約0.2s,比較可知,加入SVM模塊之后，轉(zhuǎn)矩環(huán)的響應(yīng)速度基本保持不變，而穩(wěn)態(tài)勢的電流脈動將小，從而轉(zhuǎn)矩脈動也隨之減小。4 結(jié)論本文在闡述永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理的基礎(chǔ)上, 分析了該技術(shù)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的原因。針對電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動，提出了一種改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法（SVM-DTC）,利用電壓空間矢量調(diào)制能夠使逆變器輸出連續(xù)的電壓矢量，以完全補償系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差，進(jìn)而得到對電機準(zhǔn)確的控制精度9。仿真結(jié)果表明，采用SVM-DTC的改進(jìn)型直接轉(zhuǎn)矩控制策略能在保持良好動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，有效減小了電機轉(zhuǎn)矩的脈動。和傳統(tǒng)DTC對比，SVM-DTC在改善磁鏈、轉(zhuǎn)矩

51、脈動，以及使得定子電流更加正弦上有突出作用，驗證了系統(tǒng)控制方案的可行性。專題5：電流調(diào)節(jié)器控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 隨著當(dāng)今世界電力電子技術(shù)和電機控制技術(shù)的發(fā)展，對于交直流伺服電機的控制已經(jīng)有了一定的穩(wěn)態(tài)位置精度和動態(tài)過程響應(yīng)的快速性。在伺服電機控制系統(tǒng)中，常由三個閉環(huán)組成，即電流閉環(huán)（轉(zhuǎn)矩環(huán)）、速度閉環(huán)和位置閉環(huán)。其中電流閉環(huán)是解決瞬時轉(zhuǎn)矩高性能控制的首要問題，也是直接影響電機動態(tài)響應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。因此為了獲得快速的動態(tài)響應(yīng)性能，位置閉環(huán)或速度閉環(huán)往往以轉(zhuǎn)矩閉環(huán)作為控制內(nèi)環(huán)。當(dāng)電機磁通恒定時可以認(rèn)為電機轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制就是對定子電流的控制。因此電流閉環(huán)的響應(yīng)速度直接決定了動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩的變化速度。如何構(gòu)

52、造一個動態(tài)性能良好、穩(wěn)態(tài)精度高的電流閉環(huán)控制器是系統(tǒng)能否實現(xiàn)高性能調(diào)速的重要因素。目前高性能永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中常見的電流控制器主要包括:線性電流控制器、滯環(huán)電流控制器和預(yù)測電流控制器。其中滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器以其硬件電路簡單、動態(tài)響應(yīng)快、瞬時電流可以控制、瞬時電流無過沖等優(yōu)點而常用于交直流電機調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器設(shè)計中。 電流滯環(huán)控制是由A.B.Plunkett最早提出并應(yīng)用在功率驅(qū)動領(lǐng)域和電力電子領(lǐng)域的。國內(nèi)外也有一些學(xué)者已經(jīng)對電流滯環(huán)控制作了一定的研究，取得了一些階段性的科研成果1。近年來隨著電力電子的發(fā)展，隨著對伺服電機控制策略的近一步研究，電流滯環(huán)控制已經(jīng)被國內(nèi)很多高校所重視起來，包括浙

53、江大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，貴州大學(xué)等等234。國內(nèi)外的電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器的研究也已經(jīng)進(jìn)入到了一個結(jié)合實際應(yīng)用的層面 35 。目前電流滯環(huán)存在以下不足: 即當(dāng)變流器直流端輸入電壓或負(fù)載電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時， 滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器的工作頻率將發(fā)生變化，從而使變流器的開關(guān)頻率不穩(wěn)定。變流器開關(guān)頻率不穩(wěn)定造成的直接后果是：l 過高的開關(guān)頻率，將使變流器功率開關(guān)器件難以承受，危及變流器安全，并使變流器功率開關(guān)損耗上升，效率下降。l 過低的開關(guān)頻率，將使電機電流脈動過大，造成電機運行不穩(wěn)定和電磁噪聲。l 變流器開關(guān)頻率的變化還可能引發(fā)調(diào)速系統(tǒng)的混沌運動，使電機的控制性能受到影響。所以在電流滯環(huán)控制的這些問題上，很多學(xué)

54、者也開始做出了相對應(yīng)的研究，也是現(xiàn)在滯環(huán)控制技術(shù)要解決的主要問題。本文將分析開關(guān)頻率不穩(wěn)定的原因并對這個缺陷做出幾種解決方案。最終通過實驗數(shù)據(jù)可以看出這三種方法不同程度地改善了調(diào)節(jié)器頻率的穩(wěn)定性，并且通過比較得到了三種方法各自的優(yōu)缺點。2 電流調(diào)節(jié)器工作頻率分析562.1 滯環(huán)原理圖1 滯環(huán)控制器圖1 是滯環(huán)兩態(tài)電流調(diào)節(jié)器基本原理圖， 工作原理如下：當(dāng)電流給定信號與電流反饋信號之差在滯環(huán)寬度I以內(nèi)時, 滯環(huán)兩態(tài)電流調(diào)節(jié)器的輸出不變, 變流器功率開關(guān)器件保持原工作狀態(tài); 當(dāng)大于等于I 或者小于等于-I時, 滯環(huán)兩態(tài)電流調(diào)節(jié)器控制變流器功率開關(guān)器件動作, 變流器輸出電壓為負(fù)或為正, 從而達(dá)到電機電

55、流跟蹤給定電流的控制目的。 2.2影響滯環(huán)兩態(tài)電流調(diào)節(jié)器工作頻率的因素分析圖2 變流器- 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)為了便于分析問題，這里采用一個變流器-直流系統(tǒng)作為例子。如圖2（b）所示，t1時刻，圖（a）中主回路T1和T4管導(dǎo)通，電機加正向電壓，此時繞組中的電流成上升趨勢。一直到圖2（b）中的t2時刻，電流上升到（其中是要被跟蹤的電流，是滯環(huán)的寬度）時，圖（a）中的管子由T1和T4管導(dǎo)通改變?yōu)門2和T3管導(dǎo)通，這樣一來電機端電壓為負(fù)電壓，繞組中的電流開始下降，知道t3時刻電流降低到了時，主回路中的開關(guān)管再次切換到T1和T4管導(dǎo)通。如何周而復(fù)始，就使得電流緊緊得跟隨于給定值，控制電樞電流在間波動。具

56、體分析如下：假定時刻， ， T2和T3 導(dǎo)通，則由圖2 可得直流電動機瞬時的電壓方程為： （1）式中：為電機電樞繞組電感； 為電機電樞繞組電阻,，一般情況下較小，瞬態(tài)分析時可以忽略；為電機的感應(yīng)電動勢，它與轉(zhuǎn)速n成正比；為變流器直流端電壓；為電機電樞繞組電流。當(dāng)忽略，并且假定一個工作周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)速基本不變，即為常值的情況，解式（1）有：（2）在作用下，下降，至?xí)r刻，電樞電流降到，則可得T2 和T3 導(dǎo)通的時間：（3）接著T1、T4 導(dǎo)通，變流器輸出正向電壓，直流電動機瞬時的電壓方程變?yōu)椋海?）解出得：（5）當(dāng)時，電樞電流上升到, 則可得T1、T4 導(dǎo)通的時間：（6）則可以得到一個調(diào)節(jié)器周期：（7）這也就可以得到調(diào)節(jié)器的頻率：（8）從式（8）可以看出，影響調(diào)節(jié)器頻率的因素和直流母線的電壓有關(guān)，與電機的反電勢（即