四開關三相永磁同步電機磁場定向控制系統
王曉丹1， 李端1， 郭希錚2
(1河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作454001
2北京交通大學電氣工程學院，北京100044)
摘要：以四開關三相永磁同步電機(PMSM)磁場定向控制(FOC)系統為對象，研究丁四開關三相逆變器(FSTPI)空間矢量調制方法，并以此為基礎建立系統的控制模弛。仿真結果表明：四開關三相PMSM的FOC系統可以穩定運行，并且具有較好的轉矩動態響應性能。
關鍵詞：永磁同步電機；四開關三相逆變器；轉矩控制；磁場定向控制
中圖分類號：TM 301 2：TM 35t文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)06-0184-05
0 引言
20世紀70年代初，文獻[1]提出異步電機磁場定向的控制原理，該方法以其控制簡單、魯棒性好，以及快速的動態性能被廣泛研究。永磁同步電機(Permanent Magnet Synonous Motor．PMSM)具有功率密度高、效率高、低速大轉矩及調速范圍寬等優點，在電動汽車、艦船驅動領域有著廣闊的應用前景。磁場定向控制(Field O—ented Control，FOC)方法以其優良的性能也得到了廣泛應用。
傳統PMSM的FOC系統巾，采用三相六開關逆變器(Six—Switch Three—Phase Inverter．SSTPI)供電。但是，由于電力電子器件是系統最為脆弱的一部分，因此當其出現故障時，如何采取相應的應對措施是學者研究的熱點[3]。通常的解決方法有兩種：第一種是采用開關器件冗余方法；第二種是實施四開關三相運行[4-6]。第一種方法會增加系統硬件成本，而第二種方法是低成本的選擇，且當其單獨應用于PMSM的FOC系統時，可以降低系統成本，并簡化系統拓撲結構。
四開關三相逆變器(Four Switch Three PhaseInverter，FSTPI)只有4個開關器件，與SSTPI相比，只有4個開關矢量，并且沒有零矢量，其空間矢量脈寬調制方法(Space Vector Pulse肼dthModulation，SVPWM)是應重點研究的問題。本文以四開關三相PMSM的FOC系統為研究對象，首先分析了FSTPI空間矢量調制方法，其次分析了PMSM的FOC原理，并以此為基礎建立了系統的控制模型。分析結果表明：四開關三相PMSM的FOC系統可以穩定運行，并且具有較好的轉矩動態響應性能。
l FSTPI空間矢量調制
四開關三相PMsM系統拓撲如圖l所示。與采用傳統SSTPI系統不同，FsTPI節省了1個橋臂，即節省了2只大功率全控開關器件，直流側增加了1只電容，但是電容耐壓值為SSTPI的l／2。
1．1電壓矢量表
定義Sa、Sb為開關變量，其中：Sa=1時表示A相上橋臂T1導通；Sa=0時表示A相下橋臂T3導通。因此，FsTPI共有22=4種開關狀態，每種開關狀態對應一定的三相電壓瞬時值。相對于SSTPI具有8個電壓矢量(6個有效電壓矢量，2個零矢量)，F趼PI開關矢量的分布還與負載連接方式有關，對于PMSM的FOc系統來說，相當于星型負載連接。FsTPI—PMsM電壓開關矢量表如表l所示，圖2是其空間分布。
(1)開關矢量幅值不同，
(2)不存在零矢量；
(3)只有4個開關矢量可以利用，控制自由度降低。
1．2 FSTPI空間矢量調制算法
設u為合成的電壓矢量，根據脈沖等量原則：合成矢量與時間的乘積等于四個基本矢量與相應時間乘積之和，存在如下關系：
由上文分析可知，結合式(2)、(5)無法求解FsTPI不存在零矢量，根據式(3)推得零矢量的作用時間為
由圖2可以看到，u1=-u3，u2=-u4，那么零矢量可以等效為以下3種方式：
(1)u1，u3同時作用，如圖3(a)所示；
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