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勢波形更接近正弦對于這類電機。采用正弦波電流驅動比采用120度導通型三相六狀態方波驅動更有利于減小電磁轉矩脈動。

但是傳統的正弦波驅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。

除了控制算法復雜，都需要知道連續的轉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的體積，在一些對體積要求比較嚴格的場合無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產品，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生的六個離散位置信號來實現正弦波電流驅動，具有重要的現實意義。

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構，由于同一橋臂上下功率管不會同時導通。

因此可以僅用三個變量SSSc來表示六個功率管的開關狀態，當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種開關狀態。

這8種開關狀態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度電角切換一次開關狀態。

一個周期切換六次，這就是典型的180度導通型六拍逆變器的運動方式。

由于常用的無刷直流電機一般都提供六個離散的轉子位置信號。如果在位置信號翻轉的時刻切換電壓空間矢量，就可以實現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。可以按照SVPWM的控制方法把每個60度區間進行N等分。

每個小區間通過相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來合成該區間的電壓空間矢量，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。

為了實現無刷直流電機的自控式運行切換時刻仍必須由轉子位置信號決定，即轉子轉過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子的實際位置，是保證無刷直流電機自同步運行的關鍵。

按照電機學理論，無刷直流電動機的電磁轉矩有兩個因素可引起電磁轉矩脈動，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，而定子磁動勢又由定子電流產生，最終使定子磁動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，其最大的優點是硬件結構，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，即在電機停轉時，根據當前轉子的實際位置，確定電壓空間矢量的初始相位。

為了使產生的電磁轉矩最大必須保持定、轉子磁動勢之間的夾角為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勢同相位，因此必須使定子電壓空間矢量超前轉子磁動勢電角。

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生跳變。

觸發A相繞組導通，則可以確定轉子位于某個60度區間時。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控制無刷直流電動機，實現自同步運行，與控制異步電動機的本質區別在于：

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，便有一個位置信號發生跳變，這樣在一個周期內有6個轉子位置可以被確定。

當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無刷直流電動機的自同步運行。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60度區間進行N等分。

每個小區間通過相鄰兩基本關量和零矢量的組合來合成該區間的電壓空間矢量，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。

為了實現自同步運行必須知道每個60/N電角所持續的時間，考慮到系統的機械時間常數大于電氣時間。

常數可以假設一個60度區間內轉子的轉速不發生變化。這樣如果知道每個60度區間所持續的時間。

除以N等分，就可得到每個60/N電角所持續的時間，但是當前60度區間持續的時間不可能事先得到，實際實現時只能用上一個60度區間所持續的時間來近似代替當前60度區間的持續時間。

電機實際運行時，由于轉速的波動，相鄰兩個60度區間持續的時間不一定相同當用上一個60度區間所持續的時間來估算當前60度區間內每個60/N電角所持續的時間。

必然會有一定的誤差，如果不進行位置校正，當誤差積累超過一定角度時，電壓空間矢量與轉子d軸之間的實際相位角將發生錯位，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個確定的轉子位置每隔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。

系統實際運行時，當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位置。

電壓空間矢量已經轉過60度電角但實際轉子還沒有轉完60度電角，此時應保持電壓空間矢量的相位不變，直到轉子轉過60度電角產生校準信號才做切換。

 

轉子已經轉過60度電角，但電壓空間矢量還沒有轉完60度電角，此時應立即將電壓空間矢量的相位切換至校正相位。

經過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，保證無刷直流電動機的自同步運行。

仿真及實驗結果

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，實測反電勢波形接近正弦。

樣機在傳統三相六狀態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。

實際實現時只能用上一個60度區間所持續的時間來近似代替當前60度區間的持續時間。

電機實際運行時，由于轉速的波動相鄰兩個60度區間持續的時間不一定相同當用上一個60度區間所持續的時間來估算當前60度區間內每個60/N電角所持續的時間。

必然會有一定的誤差，如果不進行位置校正當誤差積累超過一定角度時。電壓空間矢量與轉子d軸之間的實際相位角將發生錯位，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個確定的轉子位置每隔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。

系統實際運行時，當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位置，電壓空間矢量已經轉過60度電角。

但實際轉子還沒有轉完60度電角，此時應保持電壓空間矢量的相位不變直到轉子轉過60度電角產生校準信號才做切換。

情況剛好相反。轉子已經轉過60度電角，但電壓空間矢量還沒有轉完60度電角，此時應立即將電壓空間矢量的相位切換至校正相位。

經過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，保證無刷直流電動機的自同步運行。

SVPWM控制方式下的轉矩脈動明顯小于傳統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測波形，三相六狀態120度導通方式下繞組相電流有效值為3。

2A時，產生的平均電磁轉矩約為 1。25N m，轉矩電流比為 0。39 ，轉矩脈動系數為50%。

自同步SVPWM控制方式下在繞量逼近圓周運動。轉速測量用該芯片的脈沖捕獲單元14。

實驗結果

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。

實驗表明，系統控制精度高、實時性好、動態響應快。通過整流橋對三相交流電整流、濾波產生的。電機額定參數為:Pn=1。

5kW;Un=220V;In=3。55A;fn=50Hz;n=1400r/min。電機穩態運行時，逆變器的驅動波形定子電流、電壓的波形，實驗結果表明了控制方案的優良性能。