前言
無(wú)刷直流電動(dòng)機的反電動(dòng)勢波形一般為梯形波，但在實(shí)際應用中，為了消除齒槽轉矩。常采用斜槽、分數槽、合理設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(dòng)勢波形更接近正弦對于這類(lèi)電機。采用正弦波電流驅動(dòng)比采用120度導通型三相六狀態(tài)方波驅動(dòng)更有利于減小電磁轉矩脈動(dòng)。
但是傳統的正弦波驅動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)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。
除了控制算法復雜，都需要知道連續的轉子位置信號一般通過(guò)高分辨率的光電編碼器來(lái)獲取。
采用光碼盤(pán)一方面增加了系統的體積，在一些對體積要求比較嚴格的場(chǎng)合無(wú)法使用另一方面大大增加了系統的成本。
而對于家電等消費類(lèi)產(chǎn)品，成本是一個(gè)很重要的制約因素。因此尋求利用方波型無(wú)刷直流電機三個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的六個(gè)離散位置信號來(lái)實(shí)現正弦波電流驅動(dòng)，具有重要的現實(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構，由于同一橋臂上下功率管不會(huì )同時(shí)導通。
因此可以?xún)H用三個(gè)變量SSSc來(lái)表示六個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當S=1時(shí)表示逆變器A相上橋臂通，S=0時(shí)為A相下橋臂通。其余兩相類(lèi)推。這樣一來(lái)。三相共有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
這8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)所對應的三相輸出電壓變換到a坐標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(kāi)關(guān)狀態(tài)。
一個(gè)周期切換六次，這就是典型的180度導通型六拍逆變器的運動(dòng)方式。
由于常用的無(wú)刷直流電機一般都提供六個(gè)離散的轉子位置信號。如果在位置信號翻轉的時(shí)刻切換電壓空間矢量，就可以實(shí)現180度導通型的自控式運行。
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(gè)60度區間進(jìn)行N等分。
每個(gè)小區間通過(guò)相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來(lái)合成該區間的電壓空間矢量，這樣一個(gè)周期將有6N個(gè)電壓空間矢量，每隔60/N電角切換一次。
為了實(shí)現無(wú)刷直流電機的自控式運行切換時(shí)刻仍必須由轉子位置信號決定，即轉子轉過(guò)60/N電角。電壓空間矢量切換一次。
問(wèn)題是總共只有6個(gè)確定的離散位置信號，如何確定兩個(gè)位置信號之間轉子的實(shí)際位置，是保證無(wú)刷直流電機自同步運行的關(guān)鍵。
按照電機學(xué)理論，無(wú)刷直流電動(dòng)機的電磁轉矩有兩個(gè)因素可引起電磁轉矩脈動(dòng)，一是定子勵磁磁動(dòng)勢F幅值的變化，二是定子磁動(dòng)勢與轉子磁動(dòng)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子以恒定的夾角同步旋轉。
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，而定子磁動(dòng)勢又由定子電流產(chǎn)生，最終使定子磁動(dòng)勢與轉子以恒定的夾角同步旋轉。
這種控制方法能夠消除因定、轉子夾角變化而引起的電磁轉矩脈動(dòng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是硬件結構，軟件算法都比真正的 PMSM矢量控制要簡(jiǎn)單。
電空間矢量初始定位
為了實(shí)現自同步運行并順利起動(dòng)，采用電壓空間矢量控制必須進(jìn)行初始定位，即在電機停轉時(shí)，根據當前轉子的實(shí)際位置，確定電壓空間矢量的初始相位。
為了使產(chǎn)生的電磁轉矩最大必須保持定、轉子磁動(dòng)勢之間的夾角為90度電角，設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(dòng)勢同相位，因此必須使定子電壓空間矢量超前轉子磁動(dòng)勢電角。
如果三相位置傳感器的安裝定位，使得當轉子磁極軸線(xiàn)位于A(yíng)相反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)處時(shí)A相位置傳感器輸出信號發(fā)生跳變。
觸發(fā)A相繞組導通，則可以確定轉子位于某個(gè)60度區間時(shí)。電壓空間矢量的初始相位角，此處，代表a·坐標系下。
當霍爾傳感器輸出的三相位置信號，根據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。
轉子位置的估計
采用電壓空間矢量法來(lái)控制無(wú)刷直流電動(dòng)機，實(shí)現自同步運行，與控制異步電動(dòng)機的本質(zhì)區別在于：
電壓空間矢量的旋轉頻率受位置檢測器的控制即定子旋轉磁場(chǎng)的轉速和轉子的轉速始終相等。
三相霍爾元件輸出的位置信號，每隔60度電角，便有一個(gè)位置信號發(fā)生跳變，這樣在一個(gè)周期內有6個(gè)轉子位置可以被確定。
當逆變器采用六拍運行方式時(shí)，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(shí)刻做為電壓空間矢量的切換時(shí)刻就可以實(shí)現無(wú)刷直流電動(dòng)機的自同步運行。不再需要額外的轉子位置信息。
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(gè)60度區間進(jìn)行N等分。
每個(gè)小區間通過(guò)相鄰兩基本關(guān)量和零矢量的組合來(lái)合成該區間的電壓空間矢量，這樣一個(gè)周期將有6N個(gè)電壓空間矢量每隔60/N電角切換一次。
為了實(shí)現自同步運行必須知道每個(gè)60/N電角所持續的時(shí)間，考慮到系統的機械時(shí)間常數大于電氣時(shí)間。
常數可以假設一個(gè)60度區間內轉子的轉速不發(fā)生變化。這樣如果知道每個(gè)60度區間所持續的時(shí)間。
除以N等分，就可得到每個(gè)60/N電角所持續的時(shí)間，但是當前60度區間持續的時(shí)間不可能事先得到，實(shí)際實(shí)現時(shí)只能用上一個(gè)60度區間所持續的時(shí)間來(lái)近似代替當前60度區間的持續時(shí)間。
電機實(shí)際運行時(shí)，由于轉速的波動(dòng)，相鄰兩個(gè)60度區間持續的時(shí)間不一定相同當用上一個(gè)60度區間所持續的時(shí)間來(lái)估算當前60度區間內每個(gè)60/N電角所持續的時(shí)間。
必然會(huì )有一定的誤差，如果不進(jìn)行位置校正，當誤差積累超過(guò)一定角度時(shí)，電壓空間矢量與轉子d軸之間的實(shí)際相位角將發(fā)生錯位，造成電機的失步振蕩直至停轉。
利用三相位置信號提供的6個(gè)確定的轉子位置每隔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。
系統實(shí)際運行時(shí)，當60度位置校正信號來(lái)臨時(shí)，電壓空間矢量的實(shí)際相位角可能超前或滯后基準位置。
電壓空間矢量已經(jīng)轉過(guò)60度電角但實(shí)際轉子還沒(méi)有轉完60度電角，此時(shí)應保持電壓空間矢量的相位不變，直到轉子轉過(guò)60度電角產(chǎn)生校準信號才做切換。
轉子已經(jīng)轉過(guò)60度電角，但電壓空間矢量還沒(méi)有轉完60度電角，此時(shí)應立即將電壓空間矢量的相位切換至校正相位。
經(jīng)過(guò)上述位置信號的預估校正后，可以使電壓空間矢量與轉子位置同步旋轉，保證無(wú)刷直流電動(dòng)機的自同步運行。
仿真及實(shí)驗結果
本文對一臺300W三相Y型永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機進(jìn)行仿真及實(shí)驗研究。樣機的具體參數為:極對數p=4。相電感L=2。4mH，相電阻R=0。452Ω。調速范圍0~1300r/min，實(shí)測反電勢波形接近正弦。
樣機在傳統三相六狀態(tài)120度導通方式及SVPWM控制方式下的相電流及電磁轉矩的仿真可能事先得到。
實(shí)際實(shí)現時(shí)只能用上一個(gè)60度區間所持續的時(shí)間來(lái)近似代替當前60度區間的持續時(shí)間。
電機實(shí)際運行時(shí)，由于轉速的波動(dòng)相鄰兩個(gè)60度區間持續的時(shí)間不一定相同當用上一個(gè)60度區間所持續的時(shí)間來(lái)估算當前60度區間內每個(gè)60/N電角所持續的時(shí)間。
必然會(huì )有一定的誤差，如果不進(jìn)行位置校正當誤差積累超過(guò)一定角度時(shí)。電壓空間矢量與轉子d軸之間的實(shí)際相位角將發(fā)生錯位，造成電機的失步振蕩直至停轉。
利用三相位置信號提供的6個(gè)確定的轉子位置每隔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。
系統實(shí)際運行時(shí)，當60度位置校正信號來(lái)臨時(shí)，電壓空間矢量的實(shí)際相位角可能超前或滯后基準位置，電壓空間矢量已經(jīng)轉過(guò)60度電角。
但實(shí)際轉子還沒(méi)有轉完60度電角，此時(shí)應保持電壓空間矢量的相位不變直到轉子轉過(guò)60度電角產(chǎn)生校準信號才做切換。
情況剛好相反。轉子已經(jīng)轉過(guò)60度電角，但電壓空間矢量還沒(méi)有轉完60度電角，此時(shí)應立即將電壓空間矢量的相位切換至校正相位。
經(jīng)過(guò)上述位詈信號的預估校正后，可以使電壓空間矢量與轉子位置同步旋轉，保證無(wú)刷直流電動(dòng)機的自同步運行。
SVPWM控制方式下的轉矩脈動(dòng)明顯小于傳統120度導通方式。
樣機在兩種控制方式下的相電流及電磁轉矩實(shí)測波形，三相六狀態(tài)120度導通方式下繞組相電流有效值為3。
2A時(shí)，產(chǎn)生的平均電磁轉矩約為 1。25N m，轉矩電流比為 0。39 ，轉矩脈動(dòng)系數為50%。
自同步SVPWM控制方式下在繞量逼近圓周運動(dòng)。轉速測量用該芯片的脈沖捕獲單元14。
實(shí)驗結果
本文針對上述的控制方案進(jìn)行了實(shí)驗研究。電機為2對極三相籠型異步電機，直流側電源是6 結論由上述結果可得出以下結論:
本文所設計的雙DSP結構矢量控制系統中各子系統分工明確，能可靠完成各自功能，且設計合理。
實(shí)驗表明，系統控制精度高、實(shí)時(shí)性好、動(dòng)態(tài)響應快。通過(guò)整流橋對三相交流電整流、濾波產(chǎn)生的。電機額定參數為:Pn=1。
5kW;Un=220V;In=3。55A;fn=50Hz;n=1400r/min。電機穩態(tài)運行時(shí)，逆變器的驅動(dòng)波形定子電流、電壓的波形，實(shí)驗結果表明了控制方案的優(yōu)良性能。
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