【正文】 個信號送給無刷直流電機，就能得到期望的調(diào)速特性。由于進行坐標變換的是電流（也可以說是磁動勢）的空間矢量，所以通過坐標變換實現(xiàn)的控制系 統(tǒng)就叫做矢量控制系統(tǒng)（ Vector Control System），簡稱 VC 系統(tǒng)。 由上述的分析，我們可以看出，矢量控制的基本想法是在普通交流電動機上模擬出直流電動機的控制方式。通過電動機外部的控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)電樞磁場和勵磁磁場進行定向控制，也就是控制磁場間的空間電角度，進一步說，想要獲得和普通直流電動機一樣的調(diào)速特性，那么只要電樞電流矢量能夠按照我們的意愿變化就可以了。 矢量控制是以電動機在不同坐標系下的數(shù)學模型為基礎(chǔ)，將原來數(shù)學模型經(jīng)過一系列矢量變換 (3/2 變換、 2S/2R 變換 )，變換 到與同步坐標系統(tǒng)等效的正交兩相坐標系中，通過對相關(guān)矢量 (電流、磁鏈 )在該坐標系統(tǒng)中各分量的獨立控制，得出此時的控制指令值，再經(jīng)逆換計算得到系統(tǒng)控制量 (電流、電壓 ) 在三相坐標系中的大小，實現(xiàn)快速高效的調(diào)速控制。 矢量控制的最終目標是為了優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制的性能。從式子（ ）可以看出來，對轉(zhuǎn)矩的控制實際上就是對三相電流的控制。但如果直接使用三相電流來控制，計算很復(fù)雜， 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 所以需要將定子側(cè)的各個物理量經(jīng)過坐標變換變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上，從這個坐標系上看，電流等空間矢量就變成了直流矢量，所以找到這個坐標系中的各個 分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以計算出控制轉(zhuǎn)矩所需要的各個分量的值，然后將這些值逆變換回三相靜止坐標系，這就能夠獲得像直流電動機一樣的控制性能。 分析完矢量控制理論后，我們可以了解到，對無刷直流電機的矢量控制實際上是對電動機定子電流矢量相位和幅值的控制，當永磁體的勵磁磁鏈和電機參數(shù)確定后，電動機的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流空間矢量。無刷直流電機三相交流電通過 3/2 變換、 2s/2r 變換得到兩個相互垂直、彼此獨立的矢量 id（勵磁電流分量）和 iq（轉(zhuǎn)矩電流分量），因此控制 id 和 iq 即可控制電動機的轉(zhuǎn)矩， 通過控制它們來實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。 無刷直流電機矢量控制系統(tǒng)控制策略 矢量控制常用策略 無刷直流電機兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 M、 T 軸也分別稱為 d、 q 軸，對應(yīng)的電流也稱為 id、iq。目前無刷直流電動機矢量控制的方法主要有以下幾種： （ 1） id = 0 控制 id=0 控制也稱作（轉(zhuǎn)子）磁場定向控制，在這種控制策略中，將三相電流進行坐標變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上面的電流 id和 iq，實現(xiàn)了 d、 q 軸電流的解耦。兩相坐標系上的等效電機模型可以看做是一臺他勵直流電動機， 定子和轉(zhuǎn)子磁動勢的空間矢量正交，而且定子電流獨立于轉(zhuǎn)子永磁磁通。而 id=0，時，定子電流分量就只有交軸分量 iq了，而沒有 d 軸分量了。所以只要能夠確定轉(zhuǎn)子準確的空間位置，將三相定子電流合成矢量控制在 q 軸上，就能夠使控制無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩了，因為此時它只和 q 軸分量成正比。這種控制方法簡單易行，轉(zhuǎn)矩性能良好、計算簡單、調(diào)速性能好。 （ 2） cosφ = 1 控制方法 cosφ =1 控制方法是使電動機的功率因數(shù)恒為 1，即定子電流矢量和電壓矢量方向重合，此時，電磁轉(zhuǎn)矩存在一個極大值。 當定子電流從零開始增大時，輸出電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大，當?shù)搅藰O大點之后，定子電流增大，電磁轉(zhuǎn)矩不會再增大而是慢慢減小。但無刷直流電機無法調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁，所以當電機負載變化時，電樞繞組的總磁鏈不能確定，轉(zhuǎn)矩和電樞電流不是線性關(guān)系，所以控制方式變得很復(fù)雜，難以實現(xiàn)，應(yīng)用空間很有限。 （ 3）恒磁鏈控制 恒磁鏈控制的原理是控制電動機 id、 iq，讓電動機定子繞組產(chǎn)生磁通保持恒定，并且使它產(chǎn)生的磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈相等。這種控制方法與（ 1）相比，它有更高的功率因數(shù)，使得無刷直流電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩得到了提高，但是這種控制 方式也有存在去磁分量、最大輸出轉(zhuǎn)矩受限等缺點。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （ 4）最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制 這種控制方法指的是電動機輸出給定轉(zhuǎn)矩的前提下，使用最小的定子電流。這種控制策略的核心思想在于調(diào)節(jié) d、 q 軸電流達到最佳組合，使電機在給定轉(zhuǎn)矩下定子電流幅度最小。同樣與（ 1）相比，在同樣大小定子電流情況下，這種方式的轉(zhuǎn)矩相對較大。但是在給定轉(zhuǎn)矩變大的時候，功率因數(shù)下降快。 (5） 弱磁控制 在轉(zhuǎn)子看來永磁同步電機勵磁磁場被定子電樞反應(yīng)磁場消弱的同時，定子電樞反應(yīng)磁場的空間轉(zhuǎn)速相對于電樞繞組在不斷提高。當電壓達到極限時，為了使電 機能以更高的轉(zhuǎn)速運行，必須維持電機內(nèi)部反電動勢等于額定狀態(tài)時的大小。而反電動勢與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通乘積成正比，因此必須維持電機反電動勢與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通乘積不變，也就是使氣隙磁通隨轉(zhuǎn)速增大而減小，即所謂的弱磁控制。 （ 6） 最大輸出功率控制 在電機轉(zhuǎn)速超過最大電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的極限轉(zhuǎn)速后，對定子電流矢量的控制轉(zhuǎn)變?yōu)槿醮趴刂?，此時定子電流矢量沿著電壓極限曲線內(nèi)部取值，對給定轉(zhuǎn)速，存在最大輸出功率點對應(yīng)的定子電流矢量。弱磁控制過程中消弱轉(zhuǎn)子永磁磁場的程度由直軸去磁磁鏈大小表示。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定時，存在一個直軸磁鏈，使得輸出電 磁功率最大，也即直軸磁鏈等于 O 或者直軸磁鏈為正的最小值，對應(yīng)的電磁功率最大。 綜上所述的各種控制策略各有不同的應(yīng)用場合，本文所采用的控制方式為 id=0 控制。若選擇永磁體基波勵磁磁場與定子正弦波磁動勢正交，并獨立控制定子電流幅值，則此時的控制方式即為磁場定向的矢量控制?？蓪崿F(xiàn)與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)參考坐標中 d、 q 軸的解耦。此時，電機定子電流綜合矢量與轉(zhuǎn)子直軸間的夾角為 90176。，單位安培定子電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，可以獲得最高的轉(zhuǎn)矩電流比，電機的銅耗也最小。采用磁場定向控制，令 id=0 可以得到電磁轉(zhuǎn) 矩與交軸電流成線性關(guān)系，只要控制好交軸電流幅值，就可以得到良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。 =0 控制理論 由式子（ ）我們可以描述無刷直流電機電磁轉(zhuǎn)矩為： ? ??? CCBBAAe ieieieT 在一定轉(zhuǎn)速下，三相反電動勢的傅里葉級數(shù)形式如下式子（ ）所示： 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ )34(5s i n)34(3s i n)34s i n ()()32(5s i n)32(3s i n)32s i n ()(. ..53s i ns i n)(531531531???????????????????????????????tEtEtEtetEtEtEtetEtEtEtemmmCmmmBmmmA （ ） 式子中的ω為基波電角頻率，因為無刷直流電機的定子采用的是 Y 型接法，并且沒有連接中線，所以定子三相電流中不包括三次和三的倍數(shù)次 諧波，所以三相電流可以展開得到式子（ ），如下所示： )34(5s i n)34(3s i n)34s i n ()()32(5s i n)32(3s i n)32s i n ()(. . .53s i ns i n)(751751531???????????????????????????????tItItItitItItItitItItItimmmCmmmBmmmA () 將式子（ ）、（ ）代入式子（ ）整理之后可以得到無刷直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達方式，如式子（ ）所示： . ..24c o s12c o s6c o s 241260 ????? tTtTtTTT eeeee ??? （ ） 式子中， 0eT 等的具體表達式如式子（ ）所示： )(2 3 11117755110 mmmmmmmmmeIEIEIEIET ???? ? （ ） ? ?? ?? ?. . .)()()(23. . .)()()(23. . .)()()(237173151929123252471125513231171918711155111576?????????????????????mmmmmmmmmmemmmmmmmmmmemmmmmmmmmmeIEEIEEIEETIEEIEEIEETIEEIEEIEET??? 可以從式子（ ）看到，無刷直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩分解后，它的諧波僅僅由含六倍次基頻率的轉(zhuǎn)矩紋波組成，它的幅值由對應(yīng)的電流和反電動勢幅值的乘積所決定的，在紋波中，六次諧波轉(zhuǎn)矩是電磁轉(zhuǎn)矩脈動的主要分量，而在 ABC 三相反電動勢中五次、七次諧波是主要分量，所以把三相反電動勢寫成如式子（ ）所示： 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ???????????????????????????????????????????????????347s i n34534s i n327s i n32532s i n7s i n5s i n751751751???????????????tEtEtEetEtEtEetEtEtEemmmCEmmmBEmmmAE () 由 3s/2s 變換和 2s/2r 變換可將式子（ ）在 M、 T 坐標系，或者 d、 q 坐標系下，變換為（ ） : tEtEetEtEemmqEmmdE????6s i nc os6s i ns i n5151???? （ ） 在 d、 q 軸坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩公式如式子（ ）所示 : )(23 qqEddEmPe ieieNT ?? ? （ ） 其中， Np為極對數(shù)， dEe 和 qEe 分別為反電動勢的 d 軸和 q 軸分量，三相 ABC 反電動勢不是正弦量，所以反電動勢的 d、 q 軸分量也是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而不停的變化，而不是恒定量。上文提到過，無刷直流電機定子繞組是采用 Y 型接法，所以按照基爾霍夫電流定律可以得到 0??? CBA iii 。經(jīng)過坐標變換之后，得到產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩所要用的 d、 q 軸電流，為了減少控制量使得無刷直流電機轉(zhuǎn)矩控制和普通直流電電機類似，所以提出將 d 軸分量，也就是勵磁分量控制恒為零，所以（ ）式就變?yōu)槭阶樱?）： qdEmPe ieNT ?23?