前言
無刷直流電動機的反電動勢波形一般為梯形波，但在實際應(yīng)用中，為了消除齒槽轉(zhuǎn)矩。常采用斜槽、分?jǐn)?shù)槽、合理設(shè)計磁極形狀和充磁方向等措施。
這些措施往往使得電機的反電動勢波形更接近正弦對于這類電機。采用正弦波電流驅(qū)動比采用120度導(dǎo)通型三相六狀態(tài)方波驅(qū)動更有利于減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動。
但是傳統(tǒng)的正弦波驅(qū)動無刷直流電動機的電流控制方法，不管是三相電流跟蹤法 還是i i 型矢量控制法。
除了控制算法復(fù)雜，都需要知道連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號一般通過高分辨率的光電編碼器來獲取。
采用光碼盤一方面增加了系統(tǒng)的體積，在一些對體積要求比較嚴(yán)格的場合無法使用另一方面大大增加了系統(tǒng)的成本。
而對于家電等消費類產(chǎn)品，成本是一個很重要的制約因素。因此尋求利用方波型無刷直流電機三個霍爾元件產(chǎn)生的六個離散位置信號來實現(xiàn)正弦波電流驅(qū)動，具有重要的現(xiàn)實意義。
電壓空間矢量法(SVPWM)控制
基本控制思想是典型的電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，由于同一橋臂上下功率管不會同時導(dǎo)通。
因此可以僅用三個變量SSSc來表示六個功率管的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)S=1時表示逆變器A相上橋臂通，S=0時為A相下橋臂通。其余兩相類推。這樣一來。三相共有8種開關(guān)狀態(tài)。
這8種開關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)的三相輸出電壓變換到a坐標(biāo)系下的電壓空間矢量。
如果控制逆變器，使其按U0，U60，U120，U180，U240，U300的順序，每隔60度電角切換一次開關(guān)狀態(tài)。
一個周期切換六次，這就是典型的180度導(dǎo)通型六拍逆變器的運動方式。
由于常用的無刷直流電機一般都提供六個離散的轉(zhuǎn)子位置信號。如果在位置信號翻轉(zhuǎn)的時刻切換電壓空間矢量，就可以實現(xiàn)180度導(dǎo)通型的自控式運行。
如果要使輸出相電壓更接近正弦波�？梢园凑誗VPWM的控制方法把每個60度區(qū)間進行N等分。
每個小區(qū)間通過相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來合成該區(qū)間的電壓空間矢量，這樣一個周期將有6N個電壓空間矢量，每隔60/N電角切換一次。
為了實現(xiàn)無刷直流電機的自控式運行切換時刻仍必須由轉(zhuǎn)子位置信號決定，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60/N電角。電壓空間矢量切換一次。
問題是總共只有6個確定的離散位置信號，如何確定兩個位置信號之間轉(zhuǎn)子的實際位置，是保證無刷直流電機自同步運行的關(guān)鍵。
按照電機學(xué)理論，無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩有兩個因素可引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動，一是定子勵磁磁動勢F幅值的變化，二是定子磁動勢與轉(zhuǎn)子磁動勢夾角的變化。
而上面所提的SVPWM控制方法能夠保證電壓空間矢量和轉(zhuǎn)子以恒定的夾角同步旋轉(zhuǎn)。
由于定子電流空間矢量以恒定的夾角與電壓空間矢量同步旋轉(zhuǎn)，而定子磁動勢又由定子電流產(chǎn)生，最終使定子磁動勢與轉(zhuǎn)子以恒定的夾角同步旋轉(zhuǎn)。
這種控制方法能夠消除因定、轉(zhuǎn)子夾角變化而引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動，其最大的優(yōu)點是硬件結(jié)構(gòu)，軟件算法都比真正的 PMSM矢量控制要簡單。
電空間矢量初始定位
為了實現(xiàn)自同步運行并順利起動，采用電壓空間矢量控制必須進行初始定位，即在電機停轉(zhuǎn)時，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的實際位置，確定電壓空間矢量的初始相位。
為了使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大必須保持定、轉(zhuǎn)子磁動勢之間的夾角為90度電角，設(shè)定子電壓空間矢量超前定子電流空間矢量為電角。
而定子電流空間矢量與定子磁動勢同相位，因此必須使定子電壓空間矢量超前轉(zhuǎn)子磁動勢電角。
如果三相位置傳感器的安裝定位，使得當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極軸線位于A相反電動勢的過零點處時A相位置傳感器輸出信號發(fā)生跳變。
觸發(fā)A相繞組導(dǎo)通，則可以確定轉(zhuǎn)子位于某個60度區(qū)間時。電壓空間矢量的初始相位角，此處，代表a·坐標(biāo)系下。
當(dāng)霍爾傳感器輸出的三相位置信號，根據(jù)以上原則確定的三相位置信號與電壓空間矢量的初始相位角。
轉(zhuǎn)子位置的估計
采用電壓空間矢量法來控制無刷直流電動機，實現(xiàn)自同步運行，與控制異步電動機的本質(zhì)區(qū)別在于：
電壓空間矢量的旋轉(zhuǎn)頻率受位置檢測器的控制即定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終相等。
三相霍爾元件輸出的位置信號，每隔60度電角，便有一個位置信號發(fā)生跳變，這樣在一個周期內(nèi)有6個轉(zhuǎn)子位置可以被確定。
當(dāng)逆變器采用六拍運行方式時，電壓空間矢量每隔60度電角切換一次/
以三相位置信號的跳變時刻做為電壓空間矢量的切換時刻就可以實現(xiàn)無刷直流電動機的自同步運行。不再需要額外的轉(zhuǎn)子位置信息。
為了使輸出的相電壓更逼近正弦波，按照SVPWM的控制方法，把每個60度區(qū)間進行N等分。
每個小區(qū)間通過相鄰兩基本關(guān)量和零矢量的組合來合成該區(qū)間的電壓空間矢量，這樣一個周期將有6N個電壓空間矢量每隔60/N電角切換一次。
為了實現(xiàn)自同步運行必須知道每個60/N電角所持續(xù)的時間，考慮到系統(tǒng)的機械時間常數(shù)大于電氣時間。
常數(shù)可以假設(shè)一個60度區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化。這樣如果知道每個60度區(qū)間所持續(xù)的時間。
除以N等分，就可得到每個60/N電角所持續(xù)的時間，但是當(dāng)前60度區(qū)間持續(xù)的時間不可能事先得到，實際實現(xiàn)時只能用上一個60度區(qū)間所持續(xù)的時間來近似代替當(dāng)前60度區(qū)間的持續(xù)時間。
電機實際運行時，由于轉(zhuǎn)速的波動，相鄰兩個60度區(qū)間持續(xù)的時間不一定相同當(dāng)用上一個60度區(qū)間所持續(xù)的時間來估算當(dāng)前60度區(qū)間內(nèi)每個60/N電角所持續(xù)的時間。
必然會有一定的誤差，如果不進行位置校正，當(dāng)誤差積累超過一定角度時，電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子d軸之間的實際相位角將發(fā)生錯位，造成電機的失步振蕩直至停轉(zhuǎn)。
利用三相位置信號提供的6個確定的轉(zhuǎn)子位置每隔60度電角對電壓空間矢量的相位進行一次校正，可以消除位置誤差的積累。
系統(tǒng)實際運行時，當(dāng)60度位置校正信號來臨時，電壓空間矢量的實際相位角可能超前或滯后基準(zhǔn)位置。
電壓空間矢量已經(jīng)轉(zhuǎn)過60度電角但實際轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)完60度電角，此時應(yīng)保持電壓空間矢量的相位不變，直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度電角產(chǎn)生校準(zhǔn)信號才做切換。
轉(zhuǎn)子已經(jīng)轉(zhuǎn)過60度電角，但電壓空間矢量還沒有轉(zhuǎn)完60度電角，此時應(yīng)立即將電壓空間矢量的相位切換至校正相位。
經(jīng)過上述位置信號的預(yù)估校正后，可以使電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子位置同步旋轉(zhuǎn)，保證無刷直流電動機的自同步運行。
仿真及實驗結(jié)果
本文對一臺300W三相Y型永磁無刷直流電動機進行仿真及實驗研究。樣機的具體參數(shù)為:極對數(shù)p=4。相電感L=2。4mH，相電阻R=0。452Ω。調(diào)速范圍0~1300r/min，實測反電勢波形接近正弦。
樣機在傳統(tǒng)三相六狀態(tài)120度導(dǎo)通方式及SVPWM控制方式下的相電流及電磁轉(zhuǎn)矩的仿真可能事先得到。
實際實現(xiàn)時只能用上一個60度區(qū)間所持續(xù)的時間來近似代替當(dāng)前60度區(qū)間的持續(xù)時間。
電機實際運行時，由于轉(zhuǎn)速的波動相鄰兩個60度區(qū)間持續(xù)的時間不一定相同當(dāng)用上一個60度區(qū)間所持續(xù)的時間來估算當(dāng)前60度區(qū)間內(nèi)每個60/N電角所持續(xù)的時間。
必然會有一定的誤差，如果不進行位置校正當(dāng)誤差積累超過一定角度時。電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子d軸之間的實際相位角將發(fā)生錯位，造成電機的失步振蕩直至停轉(zhuǎn)。
利用三相位置信號提供的6個確定的轉(zhuǎn)子位置每隔60度電角對電壓空間矢量的相位進行一次校正，可以消除位置誤差的積累。
系統(tǒng)實際運行時，當(dāng)60度位置校正信號來臨時，電壓空間矢量的實際相位角可能超前或滯后基準(zhǔn)位置，電壓空間矢量已經(jīng)轉(zhuǎn)過60度電角。
但實際轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)完60度電角，此時應(yīng)保持電壓空間矢量的相位不變直到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60度電角產(chǎn)生校準(zhǔn)信號才做切換。
情況剛好相反。轉(zhuǎn)子已經(jīng)轉(zhuǎn)過60度電角，但電壓空間矢量還沒有轉(zhuǎn)完60度電角，此時應(yīng)立即將電壓空間矢量的相位切換至校正相位。
經(jīng)過上述位詈信號的預(yù)估校正后，可以使電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子位置同步旋轉(zhuǎn)，保證無刷直流電動機的自同步運行。
SVPWM控制方式下的轉(zhuǎn)矩脈動明顯小于傳統(tǒng)120度導(dǎo)通方式。
樣機在兩種控制方式下的相電流及電磁轉(zhuǎn)矩實測波形，三相六狀態(tài)120度導(dǎo)通方式下繞組相電流有效值為3。
2A時，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩約為 1。25N m，轉(zhuǎn)矩電流比為 0。39 ，轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為50%。
自同步SVPWM控制方式下在繞量逼近圓周運動。轉(zhuǎn)速測量用該芯片的脈沖捕獲單元14。
實驗結(jié)果
本文針對上述的控制方案進行了實驗研究。電機為2對極三相籠型異步電機，直流側(cè)電源是6 結(jié)論由上述結(jié)果可得出以下結(jié)論:
本文所設(shè)計的雙DSP結(jié)構(gòu)矢量控制系統(tǒng)中各子系統(tǒng)分工明確，能可靠完成各自功能，且設(shè)計合理。
實驗表明，系統(tǒng)控制精度高、實時性好、動態(tài)響應(yīng)快。通過整流橋?qū)θ嘟涣麟娬鳌V波產(chǎn)生的。電機額定參數(shù)為:Pn=1。
5kW;Un=220V;In=3。55A;fn=50Hz;n=1400r/min。電機穩(wěn)態(tài)運行時，逆變器的驅(qū)動波形定子電流、電壓的波形，實驗結(jié)果表明了控制方案的優(yōu)良性能。
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