四开关三相永磁同步电机磁场定向控制系统
王晓丹1， 李端1， 郭希铮2
(1河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作454001
2北京交通大学电气工程学院，北京100044)
摘要：以四开关三相永磁同步电机(PMSM)磁场定向控制(FOC)系统为对象，研究丁四开关三相逆变器(FSTPI)空间矢量调制方法，并以此为基础建立系统的控制模弛。仿真结果表明：四开关三相PMSM的FOC系统可以稳定运行，并且具有较好的转矩动态响应性能。
关键词：永磁同步电机；四开关三相逆变器；转矩控制；磁场定向控制
中图分类号：TM 301 2：TM 35t文献标志码：A文章编号：1673—6540(2010)06-0184-05
0 引言
20世纪70年代初，文献[1]提出异步电机磁场定向的控制原理，该方法以其控制简单、鲁棒性好，以及快速的动态性能被广泛研究。永磁同步电机(Permanent Magnet Synonous Motor．PMSM)具有功率密度高、效率高、低速大转矩及调速范围宽等优点，在电动汽车、舰船驱动领域有着广阔的应用前景。磁场定向控制(Field O—ented Control，FOC)方法以其优良的性能也得到了广泛应用。
传统PMSM的FOC系统巾，采用三相六开关逆变器(Six—Switch Three—Phase Inverter．SSTPI)供电。但是，由于电力电子器件是系统最为脆弱的一部分，因此当其出现故障时，如何采取相应的应对措施是学者研究的热点[3]。通常的解决方法有两种：第一种是采用开关器件冗余方法；第二种是实施四开关三相运行[4-6]。第一种方法会增加系统硬件成本，而第二种方法是低成本的选择，且当其单独应用于PMSM的FOC系统时，可以降低系统成本，并简化系统拓扑结构。
四开关三相逆变器(Four Switch Three PhaseInverter，FSTPI)只有4个开关器件，与SSTPI相比，只有4个开关矢量，并且没有零矢量，其空间矢量脉宽调制方法(Space Vector Pulse肼dthModulation，SVPWM)是应重点研究的问题。本文以四开关三相PMSM的FOC系统为研究对象，首先分析了FSTPI空间矢量调制方法，其次分析了PMSM的FOC原理，并以此为基础建立了系统的控制模型。分析结果表明：四开关三相PMSM的FOC系统可以稳定运行，并且具有较好的转矩动态响应性能。
l FSTPI空间矢量调制
四开关三相PMsM系统拓扑如图l所示。与采用传统SSTPI系统不同，FsTPI节省了1个桥臂，即节省了2只大功率全控开关器件，直流侧增加了1只电容，但是电容耐压值为SSTPI的l／2。
1．1电压矢量表
定义Sa、Sb为开关变量，其中：Sa=1时表示A相上桥臂T1导通；Sa=0时表示A相下桥臂T3导通。因此，FsTPI共有22=4种开关状态，每种开关状态对应一定的三相电压瞬时值。相对于SSTPI具有8个电压矢量(6个有效电压矢量，2个零矢量)，F趼PI开关矢量的分布还与负载连接方式有关，对于PMSM的FOc系统来说，相当于星型负载连接。FsTPI—PMsM电压开关矢量表如表l所示，图2是其空间分布。
(1)开关矢量幅值不同，
(2)不存在零矢量；
(3)只有4个开关矢量可以利用，控制自由度降低。
1．2 FSTPI空间矢量调制算法
设u为合成的电压矢量，根据脉冲等量原则：合成矢量与时间的乘积等于四个基本矢量与相应时间乘积之和，存在如下关系：
由上文分析可知，结合式(2)、(5)无法求解FsTPI不存在零矢量，根据式(3)推得零矢量的作用时间为
由图2可以看到，u1=-u3，u2=-u4，那么零矢量可以等效为以下3种方式：
(1)u1，u3同时作用，如图3(a)所示；
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