0 引言

　　直接轉(zhuǎn)矩控制和直接自控制最初都是針對(duì)異步電機(jī)提出來的，直接轉(zhuǎn)矩控制的定子磁鏈軌跡為圓形，直接自控制的定子磁鏈軌跡為六邊形，兩種控制方法的原理都是通過查表的方法來選擇最優(yōu)電壓空間矢量，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的直接控制。目前，兩種方案均得到了一定的發(fā)展與應(yīng)用，在中小功率場(chǎng)合圓形方案應(yīng)用較多，而六邊形方案目前主要應(yīng)用于電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)。

　　1997 年，直接轉(zhuǎn)矩控制首次應(yīng)用于正弦交流永磁同步電動(dòng)機(jī)PMSM［1］，直接轉(zhuǎn)矩控制在無刷直流電機(jī)上的應(yīng)用研究出現(xiàn)于2005年［2］，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［3］提出了無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制，使無刷直流電動(dòng)機(jī)工作在三三導(dǎo)通模式，在任一時(shí)刻三相同時(shí)導(dǎo)通，避免了關(guān)斷相對(duì)定子磁鏈的影響，在六邊形每個(gè)區(qū)段上只使用兩種電壓狀態(tài)：運(yùn)動(dòng)矢量和零矢量。

　　運(yùn)動(dòng)矢量使定子磁鏈運(yùn)動(dòng)，零矢量使定子磁鏈停止，通過定子磁鏈的走走停停，達(dá)到了調(diào)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的目的。在轉(zhuǎn)速較高的情況下，定子電阻壓降對(duì)定子磁鏈的影響較小，所以在每個(gè)區(qū)段上使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)電壓矢量可以完成無刷直流電動(dòng)機(jī)的直接自控制。

　　但在低速時(shí)，定子電阻壓降的影響不能被簡(jiǎn)單地忽略，受其影響，定子磁鏈波形發(fā)生畸變，轉(zhuǎn)速越低，畸變?cè)絿?yán)重，電機(jī)運(yùn)行性能下降得越顯著，甚至不能正常運(yùn)行。

　　針對(duì)這一問題，本文提出一種低速時(shí)對(duì)定子磁鏈補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ诹呅诬壽E每個(gè)區(qū)段上使用三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量和零矢量進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，以此來提高無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制的低速性能，從而擴(kuò)大調(diào)速范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本文方法是有效的。

　　1 無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制原理

　　直接自控制基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中AMM為電機(jī)數(shù)學(xué)模型，UCT 為坐標(biāo)變換單元，DMC 為磁鏈自控制單元，ASS為開關(guān)信號(hào)選擇單元，AZS 為零狀態(tài)選擇單元，ATR為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器。理想情況下定子磁鏈的軌跡為正六邊形，如圖2 所示，鬃茁a、鬃茁b、鬃茁c 分別為定子磁鏈在茁a、茁b、茁c軸上的投影，定子磁鏈的幅值是變化的，但在六邊形的每一個(gè)區(qū)段上，定子磁鏈向該區(qū)段軌跡垂直平分線上的投影是一個(gè)恒定不變量。在直接自控制中，將六邊形軌跡的內(nèi)切圓半徑定

　　義為給定磁鏈鬃*s ，即六邊形中心到六個(gè)區(qū)段軌跡中點(diǎn)的垂線長(zhǎng)。將鬃茁a、鬃茁b、鬃茁c 分別與鬃*s比較，這一過程由DMC完成，比較的結(jié)果用來決定逆變器六個(gè)功率管的開關(guān)狀態(tài)。

　　ATR輸入為實(shí)際轉(zhuǎn)矩T（t）與轉(zhuǎn)矩給定T *之差駐T，輸出ST。Sz有0或1兩個(gè)取值，其作用是使得逆變器開關(guān)次數(shù)最少。當(dāng)ST為0時(shí)，三個(gè)開關(guān)變量Sa、Sb、Sc的值都是Sz，此時(shí)使用的是電壓零矢量，定子磁鏈靜止，轉(zhuǎn)矩隨之下降。當(dāng)ST為1時(shí)，選擇電壓運(yùn)動(dòng)矢量，DMC 的輸出決定在六個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量中使用哪一個(gè)。以上調(diào)節(jié)過程與轉(zhuǎn)速、逆變器直流環(huán)節(jié)電壓無關(guān)。

　　總之，ATR的作用是決定系統(tǒng)使用零矢量還是運(yùn)動(dòng)矢量，DMC 的作用是決定系統(tǒng)使用哪一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，AZS的作用是減少逆變器開關(guān)次數(shù)以降低開關(guān)損耗。

　　無刷直流電動(dòng)機(jī)最常見的導(dǎo)通方式是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置觸發(fā)導(dǎo)通兩相，但由于關(guān)斷相電壓是浮動(dòng)變化的，會(huì)為電壓空間矢量計(jì)算和磁鏈計(jì)算帶來困難，所以，文獻(xiàn)［3］選擇了無刷直流電動(dòng)機(jī)另一種常見的三相導(dǎo)通方式。理論上任一時(shí)刻三相同時(shí)導(dǎo)通，就不存在關(guān)斷相，每隔60毅電角度換相一次，恰好對(duì)應(yīng)直接自控制六邊形軌跡的一個(gè)區(qū)段。據(jù)此構(gòu)建的無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制系統(tǒng)組成，其中AIM 為逆變器模型，用來計(jì)算相電壓，UCM 為相電壓原線電壓轉(zhuǎn)換模型，ICM為相電流原線電流轉(zhuǎn)換模型。

　　雖然采用了三相導(dǎo)通的方式，但由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)為梯形，三個(gè)在時(shí)間相位上互差120毅的梯形反電勢(shì)之代數(shù)和不恒為零，所以，并不能根據(jù)逆變器開關(guān)狀態(tài)得到三個(gè)相電壓，文獻(xiàn)［3］采用形狀函數(shù)法，以梯形反電勢(shì)幅值正比于轉(zhuǎn)速為假設(shè)前提，建立起三個(gè)互差120毅的形狀函數(shù)，在電機(jī)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的幾個(gè)關(guān)鍵位置，反電勢(shì)實(shí)時(shí)值就正比于該形狀函數(shù)與轉(zhuǎn)速的乘積。

　　2 低速性能的改進(jìn)

　　理想情況下定子磁鏈的軌跡為正六邊形，但在實(shí)際直接自控制中，被積分的是定子反電勢(shì)uemf 而不是定子電壓us ，受定子電阻壓降影響，定子磁鏈六邊形軌跡將順著旋轉(zhuǎn)方向有所偏移。圖4 表明了磁鏈畸變的原理，當(dāng)電壓矢量為V3（011）時(shí)，由于電阻壓降的存在，uemf 總是超前于us一個(gè)角度，受此影響，磁

　　鏈軌跡從圖4中的區(qū)段S1偏移為S2。電阻壓降相對(duì)于定子電壓越小，磁鏈畸變?cè)叫?。低速時(shí)，定子電壓隨轉(zhuǎn)速降低而減小，電阻壓降與定子電壓相比越來越大，磁鏈畸變?cè)絿?yán)重。

　　低速時(shí)定子磁鏈畸變表現(xiàn)為六邊形軌跡沿著磁鏈運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)，以及磁鏈幅值減小。前者是因?yàn)槎ㄗ臃措妱?shì)比電壓運(yùn)動(dòng)矢量更偏向于六邊形軌跡的中心，而磁鏈幅值的減小主要是零矢量使用頻率上升所導(dǎo)致。定子磁鏈畸變使得低速性能變差，所以在低速時(shí)要引入磁鏈調(diào)節(jié)閉環(huán)，以補(bǔ)償定子電阻壓降的影響。在本文中，補(bǔ)償是單方向的，即只補(bǔ)償磁鏈幅值減小的部分，以維持原六邊形軌跡。

　　　　在文獻(xiàn)［3］中，六邊形每個(gè)區(qū)段只用到一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，低速補(bǔ)償時(shí)可用的運(yùn)動(dòng)矢量最少為2 個(gè)，最多為6個(gè)。具體補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)方法是在圖3基礎(chǔ)上增加一個(gè)三點(diǎn)式磁鏈調(diào)節(jié)器］，將實(shí)際磁鏈幅值與給定磁鏈比較，設(shè)置了一個(gè)容差限，實(shí)際磁鏈偏離給定不能越過該容差，磁鏈調(diào)節(jié)器向ASS發(fā)出一個(gè)三值信號(hào)（ 鬃Q = -1、0、1），要求減小、維持、增大定子磁鏈幅值。在六邊形某一個(gè)區(qū)段上使用多個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，通過它們的不同組合實(shí)現(xiàn)磁鏈的調(diào)節(jié)與補(bǔ)償。由于不存在只改變轉(zhuǎn)矩或只改變磁鏈的運(yùn)動(dòng)矢量，在調(diào)節(jié)定子磁鏈的同時(shí)也會(huì)影響轉(zhuǎn)矩，所以兩者如何協(xié)調(diào)是必須考慮的問題。在低速補(bǔ)償中，由ATR決定使用運(yùn)動(dòng)矢量還是零矢量，使用運(yùn)動(dòng)矢量時(shí)，根據(jù)定子磁鏈情況決定使用哪個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量。

　　本文的低速補(bǔ)償共使用了3個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量，即矢量淤、于、盂）。矢量淤的作用是增加轉(zhuǎn)矩、減小定子磁鏈，矢量于只增加轉(zhuǎn)矩，矢量盂既增加轉(zhuǎn)矩也增加磁鏈，這三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量的共同特點(diǎn)是增大轉(zhuǎn)矩，使磁鏈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，若要實(shí)現(xiàn)定子磁鏈反方向旋轉(zhuǎn)，就要用中的運(yùn)動(dòng)矢量榆、虞、愚。運(yùn)動(dòng)矢量淤、于、盂的組合在增加轉(zhuǎn)矩的同時(shí)調(diào)節(jié)了定子磁鏈幅值，其中矢量盂比矢量淤使用的頻率更高，這是補(bǔ)償?shù)退贂r(shí)定子磁鏈幅值減小的必然結(jié)果。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6，圖7 所示。在25豫額定轉(zhuǎn)速（100 r/min）時(shí)，定子磁鏈的畸變已經(jīng)非常明顯，體現(xiàn)為六邊形偏轉(zhuǎn)和幅值減小。補(bǔ)償后的定子磁鏈恢復(fù)為正六邊形。補(bǔ)償前定子磁鏈幅值變化的峰峰值為0.02 wb，占給定磁鏈的28.6豫，補(bǔ)償后的峰峰值僅為0.005 wb，是補(bǔ)償前的1/4，效果顯著。對(duì)比補(bǔ)償前后的轉(zhuǎn)矩可以發(fā)現(xiàn)，磁鏈補(bǔ)償有效地降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這是因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)要求相電流與反電勢(shì)的相位對(duì)應(yīng)，定子磁鏈畸變會(huì)導(dǎo)致電流相位的超前，換相時(shí)刻提前對(duì)于小電感的無刷直流電動(dòng)機(jī)來說將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變大，后果往往是致命的。對(duì)定子磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償可以確保正確的換相時(shí)刻，從而減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以，低速時(shí)對(duì)定子磁鏈的補(bǔ)償是必要的，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，補(bǔ)償效果是顯著的，提高了無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制的低速性能。

　　4 結(jié)語

　　無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制在中高速時(shí)，可以不考慮定子電阻壓降的影響，所以在定子磁鏈六邊形軌跡的每個(gè)區(qū)段上只使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量就能得到滿意的控制效果。每個(gè)區(qū)段上使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量還能實(shí)現(xiàn)功率管的最少切換。但在低速時(shí)，定子電阻壓降不能忽略，因?yàn)闀?huì)造成定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的畸變。本文針對(duì)這一情況，在原有的控制框圖內(nèi)增加了一個(gè)磁鏈調(diào)節(jié)單元，在轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的過程中，使定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡也控制在滯環(huán)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的協(xié)調(diào)控制。低速時(shí)無刷直流電動(dòng)機(jī)直接自控制方案需要在每個(gè)定子磁鏈的區(qū)段上使用三個(gè)運(yùn)動(dòng)矢量和零矢量進(jìn)行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法有效改善了低速性能，擴(kuò)大了調(diào)速范圍，達(dá)到了預(yù)期目的。