磁場定向控制概述1.1磁場定向控制發(fā)展及原理磁場定向控制（FieldOrientedControl,FOC）又稱矢量控制（VectorControl,VC），最早在1968年Hasse提出了矢量控制理論，之后在1971年德國西門子工程師F.Blaschke將其重新定為磁場定向控制REF_Ref31839\r\h[55]，矢量控制最開始是被應用于感應電機上，后來隨著不斷研發(fā)在永磁同步電機上得以實現(xiàn)。磁場定向控制的出現(xiàn)使電機控制技術(shù)步入了一個新的階段。FOC控制的主要思想就是通過坐標變換將多變量、強耦合的永磁同步發(fā)電機等效為一個直流電機，使電機獲得更好的動態(tài)性能REF_Ref31868\r\h[56,REF_Ref31875\r\h57,REF_Ref31878\r\h58]。通過改變和的大小來控制電機dq軸電流分量，因為最終反饋給發(fā)電機的只能是三相靜止坐標系系下的電壓，所以還需將dq坐標系下的電壓轉(zhuǎn)換成三相電壓給驅(qū)動橋，從而使永磁同步發(fā)電機可以進行快速的轉(zhuǎn)矩和電流控制。實現(xiàn)FOC控制最重要的兩個關(guān)鍵信號就是發(fā)電機的三相電流和轉(zhuǎn)子位置信號。其控制模塊由克拉克變換模塊、park模塊、dq軸的PI調(diào)節(jié)模塊、反park模塊、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）模塊組成。磁場定向控制根據(jù)定位磁場矢量的方向不同可以分為轉(zhuǎn)子磁場矢量控制、定子磁場矢量控制、氣隙磁場矢量控制，其中轉(zhuǎn)子磁場的矢量控制在永磁同步發(fā)電機中應用的最多。我們假設永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于零，圖1.1和圖1.2分別為永磁同步發(fā)電機工作在電動和發(fā)電狀態(tài)時的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量圖。從圖1.1和圖1.2中可以看出永磁同步發(fā)電機在電動狀態(tài)時電流矢量位于dq坐標系第二象限，在發(fā)電狀態(tài)時位于第三象限，并且發(fā)電狀態(tài)和電動狀態(tài)的工作點關(guān)于d軸對稱，所以PMSG運行在發(fā)電狀態(tài)時可以借鑒在電動狀態(tài)時所采用的控制策略。圖1.1PMSG電動狀態(tài)矢量圖圖1.2PMSG發(fā)電狀態(tài)矢量圖歸根結(jié)底，對永磁同步發(fā)電機PWM整流器的控制就是對其電磁轉(zhuǎn)矩的控制，由（2.13）電磁轉(zhuǎn)矩的公式可知，當給定電機參數(shù)時，電磁轉(zhuǎn)矩僅與電流矢量在dq軸的分量有關(guān)，所以磁場定向控制的本質(zhì)是對定子電流矢量幅值和相位的控制。圖1.3PMSG矢量控制電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖圖1.3為矢量控制電流內(nèi)環(huán)控制過程，、為輸入電流給定值，、為電流實際值。首先經(jīng)過電流環(huán)PI控制器，得到輸出電壓給定值、，再經(jīng)過反park變換得到和，最后SVPWM通過控制六個功率開關(guān)器件在不同的開關(guān)模式下不斷切換，生成理想的PWM正弦信號，從而實現(xiàn)電流控制。SVPWM模塊是永磁同步發(fā)電機PWM整流系統(tǒng)的關(guān)鍵，下面簡單介紹SVPWM的基本原理和實現(xiàn)步驟。1)SVPWM基本原理三相PWM整流器輸入側(cè)電壓、、公式如下（1.1）通過第二章介紹可知PWM整流器由8種不同的開關(guān)狀態(tài)，將其分別代入式（1.1）可得到開關(guān)狀態(tài)表，如表1.1所示。表1.1開關(guān)狀態(tài)表SASBSC矢量符號線電壓UABUBCUAN相電壓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表中的八個電壓矢量在αβ坐標系下空間分布狀態(tài)如圖1.4所示。圖中、為0矢量，其余六個為模為非零矢量的。圖1.4電壓矢量圖SVPWM算法實現(xiàn)扇區(qū)判斷為了精準、快速地進行扇區(qū)判斷，我們引入三個輔助變量如下；(1.2)式（1.2）中，和分別為在α、β軸上的投影。所以當我們確定了這三個輔助變量的正負后，就可以判斷所在扇區(qū)。定義判斷方法如下；，則A=1，反之A=0；，則B=1，反之B=0；，則C=1，反之C=0；令，則N值與扇區(qū)的關(guān)系如表1.2所示：表1.2N值與扇區(qū)的對應關(guān)系扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥN315462電壓矢量作用時間計算6個非零電壓矢量對應6個扇區(qū)，當參考矢量位于某扇區(qū)內(nèi)，就用此扇區(qū)內(nèi)的兩個非零電壓矢量合成。以第Ⅰ扇區(qū)為例，圖1.5為電壓空間矢量在第一扇區(qū)的合成圖。圖1.5電壓空間矢量合成圖其中各矢量在一個開關(guān)周期的作用時間滿足以下關(guān)系（以第Ⅰ扇區(qū)為例）：（1.3）式1.3中分別為在一個開關(guān)周期內(nèi)作用時間根據(jù)圖1.5可得：（1.4）將和、代入式（1.4）可得：（1.5）將第Ⅰ扇區(qū)的計算方法推廣到其他扇區(qū)可以得到所有扇區(qū)的電壓矢量作用時間。令（1.6）表3-3為各扇區(qū)非零矢量作用時間，零矢量作用時間為表1.3各扇區(qū)非零矢量作用時間ⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-Z-X扇區(qū)切換點計算因為零矢量和對稱所以其作用時間均為，各矢量之間的切換時間點用、、表示，定義變量、、：（1.7）各扇區(qū)時間切換點如表1.4所示。表1.4各扇區(qū)切換時間切換點N123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa1.2id=0的電流矢量控制下面首先介紹幾種常用的矢量控制方法：單位功率因數(shù)控制單位功率因數(shù)控制通過控制電壓矢量和定子電流矢量同相位，使PMSG功率因數(shù)等于一。這種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輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小，PMSG運行效率不高，還可能會出現(xiàn)去磁現(xiàn)象?？刂飘斴斎腚娏魇噶繒r，此時只有轉(zhuǎn)矩電流沒有勵磁電流，所以輸出的電磁轉(zhuǎn)矩大小就只和轉(zhuǎn)矩電流有關(guān)，此時電磁轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)椋?1.8)控制是一種簡單易于操作的控制方法，并且這種控制方法具有較寬的調(diào)速范圍，但是因為其d軸上不存在電樞反應，所以無法輸出最大電磁轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制最初是在凸極永磁同步電機中得以實現(xiàn)的。電機運行時會存在一個臨界點，在這個點輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流之比最大，當系統(tǒng)到達這個點就稱系統(tǒng)運行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)，而MTPA控制就是控制系統(tǒng)達到這個狀態(tài)時轉(zhuǎn)矩電流最優(yōu)。所以MTPA控制能夠充分地利用電磁轉(zhuǎn)矩，并且可以減小定子銅耗、提高電機工作效率。但是這種控制方法太復雜，需要用到高速度的中央處理器。弱磁控制弱磁控制通過增加定子的直軸電流來削弱永磁體磁場而保證電機運行在安全可控區(qū)域內(nèi)。其缺點是當增加電流過大時會造成永磁同步電機的永磁體產(chǎn)生不可逆退磁。的電流矢量控制因其結(jié)構(gòu)簡單、易操作，所以是現(xiàn)在最常用的矢量控制方法、下面主要介紹的電流矢量控制。我們在PMSG-PWM整流系統(tǒng)中采用的電流矢量控制目的是控制電磁轉(zhuǎn)矩，當永磁同步發(fā)電機穩(wěn)定運行時，我們不考慮定子電阻，得到穩(wěn)定運行的永磁同步發(fā)電機定子電壓如式（1.9）所示：(1.9)式（1.9）中、分別為定子電壓在d、q軸的分量，是定子電感在q軸的分量，為電機轉(zhuǎn)速；是永磁同步發(fā)電機永磁體磁鏈；是定子電流在q軸的分量。永磁同步發(fā)電機定子電壓的矢量和幅值如式（1.10）所示：(1.10)其中，為定子電壓合成矢量，為定子三相電壓合成標量。將式（1.9）代入（1.10）可得永磁同步發(fā)電機定子三相電壓合成矢量的幅值為：(1.11)PWM整流器交流側(cè)的三相電壓幅值和直流母線電壓的關(guān)系如式（1.12）所示。(1.12)式中，k為SVPWM的調(diào)制比，且。由式（1.9）~（1.12）可知，永磁同步發(fā)電機三相定子電壓受電機轉(zhuǎn)速、定子電感、磁鏈及定子電流影響，同時直流母線電壓也會影響定子三相電壓的幅值大小。當采用電流矢量