前言
無刷直流電動機(jī)的反電動勢波形一般為梯形波，但在實(shí)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(jì)磁極形狀和充磁方向等措施。
這些措施往往使得電機(jī)的反電動勢波形更接近正弦對于這類電機(jī)。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(jī)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(fèi)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(jī)三個霍爾元件產(chǎn)生的六個離散位置信號來實(shí)現(xiàn)正弦波電流驅(qū)動，具有重要的現(xiàn)實(shí)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(yùn)動方式。
由于常用的無刷直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)180度導(dǎo)通型的自控式運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的自控式運(yùn)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(shí)際位置，是保證無刷直流電機(jī)自同步運(yùn)行的關(guān)鍵。
按照電機(jī)學(xué)理論，無刷直流電動機(jī)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)自同步運(yùn)行并順利起動，采用電壓空間矢量控制必須進(jìn)行初始定位，即在電機(jī)停轉(zhuǎn)時，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的實(shí)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(diǎn)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(jì)
采用電壓空間矢量法來控制無刷直流電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)自同步運(yùn)行，與控制異步電動機(jī)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(yùn)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(shí)現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的自同步運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)自同步運(yùn)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(jī)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(shí)際實(shí)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(jī)實(shí)際運(yùn)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(jìn)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(shí)際相位角將發(fā)生錯位，造成電機(jī)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(jìn)行一次校正，可以消除位置誤差的積累。
系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，當(dāng)60度位置校正信號來臨時，電壓空間矢量的實(shí)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(shí)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(jī)的自同步運(yùn)行。
仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文對一臺300W三相Y型永磁無刷直流電動機(jī)進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)研究。樣機(jī)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(shí)測反電勢波形接近正弦。
樣機(jī)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(shí)際實(shí)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(jī)實(shí)際運(yùn)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(jìn)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(shí)際相位角將發(fā)生錯位，造成電機(jī)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(jìn)行一次校正，可以消除位置誤差的積累。
系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，當(dāng)60度位置校正信號來臨時，電壓空間矢量的實(shí)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(shí)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(jī)的自同步運(yùn)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(jī)在兩種控制方式下的相電流及電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)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(yùn)動。轉(zhuǎn)速測量用該芯片的脈沖捕獲單元14。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文針對上述的控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電機(jī)為2對極三相籠型異步電機(jī)，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(jì)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(jì)合理。
實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)控制精度高、實(shí)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(jī)額定參數(shù)為:Pn=1。
5kW;Un=220V;In=3。55A;fn=50Hz;n=1400r/min。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，逆變器的驅(qū)動波形定子電流、電壓的波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了控制方案的優(yōu)良性能。
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