【《磁场定向控制概述》2700字】

磁场定向控制概述1.1磁场定向控制发展及原理磁场定向控制（FieldOrientedControl,FOC）又称矢量控制（VectorControl,VC），最早在1968年Hasse提出了矢量控制理论，之后在1971年德国西门子工程师F.Blaschke将其重新定为磁场定向控制REF_Ref31839\r\h[55]，矢量控制最开始是被应用于感应电机上，后来随着不断研发在永磁同步电机上得以实现。磁场定向控制的出现使电机控制技术步入了一个新的阶段。FOC控制的主要思想就是通过坐标变换将多变量、强耦合的永磁同步发电机等效为一个直流电机，使电机获得更好的动态性能REF_Ref31868\r\h[56,REF_Ref31875\r\h57,REF_Ref31878\r\h58]。通过改变和的大小来控制电机dq轴电流分量，因为最终反馈给发电机的只能是三相静止坐标系系下的电压，所以还需将dq坐标系下的电压转换成三相电压给驱动桥，从而使永磁同步发电机可以进行快速的转矩和电流控制。实现FOC控制最重要的两个关键信号就是发电机的三相电流和转子位置信号。其控制模块由克拉克变换模块、park模块、dq轴的PI调节模块、反park模块、空间矢量脉宽调制（SVPWM）模块组成。磁场定向控制根据定位磁场矢量的方向不同可以分为转子磁场矢量控制、定子磁场矢量控制、气隙磁场矢量控制，其中转子磁场的矢量控制在永磁同步发电机中应用的最多。我们假设永磁同步发电机转速大于零，图1.1和图1.2分别为永磁同步发电机工作在电动和发电状态时的转子磁场定向矢量图。从图1.1和图1.2中可以看出永磁同步发电机在电动状态时电流矢量位于dq坐标系第二象限，在发电状态时位于第三象限，并且发电状态和电动状态的工作点关于d轴对称，所以PMSG运行在发电状态时可以借鉴在电动状态时所采用的控制策略。图1.1PMSG电动状态矢量图图1.2PMSG发电状态矢量图归根结底，对永磁同步发电机PWM整流器的控制就是对其电磁转矩的控制，由（2.13）电磁转矩的公式可知，当给定电机参数时，电磁转矩仅与电流矢量在dq轴的分量有关，所以磁场定向控制的本质是对定子电流矢量幅值和相位的控制。图1.3PMSG矢量控制电流环结构框图图1.3为矢量控制电流内环控制过程，、为输入电流给定值，、为电流实际值。首先经过电流环PI控制器，得到输出电压给定值、，再经过反park变换得到和，最后SVPWM通过控制六个功率开关器件在不同的开关模式下不断切换，生成理想的PWM正弦信号，从而实现电流控制。SVPWM模块是永磁同步发电机PWM整流系统的关键，下面简单介绍SVPWM的基本原理和实现步骤。1)SVPWM基本原理三相PWM整流器输入侧电压、、公式如下（1.1）通过第二章介绍可知PWM整流器由8种不同的开关状态，将其分别代入式（1.1）可得到开关状态表，如表1.1所示。表1.1开关状态表SASBSC矢量符号线电压UABUBCUAN相电压UANUBNUCN000U0000000100U1Udc0-Udc2/3Udc-1/3Udc-1/3Udc110U20Udc-Udc1/3Udc1/3Udc-2/3Udc010U3-UdcUdc0-1/3Udc2/3Udc-1/3Udc011U4-Udc0-Udc-2/3Udc1/3Udc1/3Udc001U50-UdcUdc-1/3Udc-1/3Udc2/3Udc101U6Udc-Udc01/3Udc-2/3Udc1/3Udc111U7000000表中的八个电压矢量在αβ坐标系下空间分布状态如图1.4所示。图中、为0矢量，其余六个为模为非零矢量的。图1.4电压矢量图SVPWM算法实现扇区判断为了精准、快速地进行扇区判断，我们引入三个辅助变量如下；(1.2)式（1.2）中，和分别为在α、β轴上的投影。所以当我们确定了这三个辅助变量的正负后，就可以判断所在扇区。定义判断方法如下；，则A=1，反之A=0；，则B=1，反之B=0；，则C=1，反之C=0；令，则N值与扇区的关系如表1.2所示：表1.2N值与扇区的对应关系扇区ⅠⅡⅢⅣⅤⅥN315462电压矢量作用时间计算6个非零电压矢量对应6个扇区，当参考矢量位于某扇区内，就用此扇区内的两个非零电压矢量合成。以第Ⅰ扇区为例，图1.5为电压空间矢量在第一扇区的合成图。图1.5电压空间矢量合成图其中各矢量在一个开关周期的作用时间满足以下关系（以第Ⅰ扇区为例）：（1.3）式1.3中分别为在一个开关周期内作用时间根据图1.5可得：（1.4）将和、代入式（1.4）可得：（1.5）将第Ⅰ扇区的计算方法推广到其他扇区可以得到所有扇区的电压矢量作用时间。令（1.6）表3-3为各扇区非零矢量作用时间，零矢量作用时间为表1.3各扇区非零矢量作用时间ⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-X扇区切换点计算因为零矢量和对称所以其作用时间均为，各矢量之间的切换时间点用、、表示，定义变量、、：（1.7）各扇区时间切换点如表1.4所示。表1.4各扇区切换时间切换点N123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa1.2id=0的电流矢量控制下面首先介绍几种常用的矢量控制方法：单位功率因数控制单位功率因数控制通过控制电压矢量和定子电流矢量同相位，使PMSG功率因数等于一。这种控制方法可以充分地利用PWM整流器的容量，并且提高了PWM整流器的效率。但是其控制的PMSG输出的最大转矩较小，PMSG运行效率不高，还可能会出现去磁现象。控制当输入电流矢量时，此时只有转矩电流没有励磁电流，所以输出的电磁转矩大小就只和转矩电流有关，此时电磁转矩方程变为：(1.8)控制是一种简单易于操作的控制方法，并且这种控制方法具有较宽的调速范围，但是因为其d轴上不存在电枢反应，所以无法输出最大电磁转矩。最大转矩电流比控制最大转矩电流比（MTPA）控制最初是在凸极永磁同步电机中得以实现的。电机运行时会存在一个临界点，在这个点输出转矩与定子电流之比最大，当系统到达这个点就称系统运行在最大转矩电流比状态，而MTPA控制就是控制系统达到这个状态时转矩电流最优。所以MTPA控制能够充分地利用电磁转矩，并且可以减小定子铜耗、提高电机工作效率。但是这种控制方法太复杂，需要用到高速度的中央处理器。弱磁控制弱磁控制通过增加定子的直轴电流来削弱永磁体磁场而保证电机运行在安全可控区域内。其缺点是当增加电流过大时会造成永磁同步电机的永磁体产生不可逆退磁。的电流矢量控制因其结构简单、易操作，所以是现在最常用的矢量控制方法、下面主要介绍的电流矢量控制。我们在PMSG-PWM整流系统中采用的电流矢量控制目的是控制电磁转矩，当永磁同步发电机稳定运行时，我们不考虑定子电阻，得到稳定运行的永磁同步发电机定子电压如式（1.9）所示：(1.9)式（1.9）中、分别为定子电压在d、q轴的分量，是定子电感在q轴的分量，为电机转速；是永磁同步发电机永磁体磁链；是定子电流在q轴的分量。永磁同步发电机定子电压的矢量和幅值如式（1.10）所示：(1.10)其中，为定子电压合成矢量，为定子三相电压合成标量。将式（1.9）代入（1.10）可得永磁同步发电机定子三相电压合成矢量的幅值为：(1.11)PWM整流器交流侧的三相电压幅值和直流母线电压的关系如式（1.12）所示。(1.12)式中，k为SVPWM的调制比，且。由式（1.9）~（1.12）可知，永磁同步发电机三相定子电压受电机转速、定子电感、磁链及定子电流影响，同时直流母线电压也会影响定子三相电压的幅值大小。当采用电流矢量