基于磁场定向空间矢量脉宽调制控制的永磁无刷直流电动机系统
Md. Ashraful Islam1 ，Md. Belal Hossen2 ，Badal Banik3， Bashudeb Chandra Ghosh4
（1.库尔纳工程技术大学电子工程系；库尔纳，孟加拉国；2.BCMC工程技术学院电子工程系；杰索尔，孟加拉国；3.库尔纳工程技术大学电子工程系；库尔纳，孟加拉国；4.库尔纳工程技术大学电子工程系；库尔纳，孟加拉国；）
摘要：介绍了采用电流传感器和速度传感器作为反馈的空间矢量脉宽调制技术的永磁无刷直流电机磁场定向控制策略。在这种提出的控制方法中引入了自适应比例积分（PI）控制器。研究了C 仿真中启动条件和速度变化的控制方法的性能。我们观察到控制方法具有良好的性能和速度响应。
关键词：BLDC电机; 田地导向控制; 空间矢量脉宽调制; 自适应PI控制器。
1.介绍
无刷直流（BLDC）电机是一种同步电机。它也像无转子无刷直流电机一样，其转矩电流特性与直流电机相似[1]。 在这个电机换向器动作是由智能逆变器完成的，能够使用脉宽调制（PWM）进行宽范围的速度控制。它有三相绕组，变频器给出交流电源。在直流电动机领域是固定的，但在BLDC电动机领域是旋转和电枢是静止的。在永磁无刷直流（PMBLDC）电机中，转子由永磁材料制成。由于没有电刷和换向器，该电机几乎没有维护[1]。
在单独激励的直流电动机场和转矩分别通过控制相应的场和电枢电流来控制。 Clarke和Park的转换[7]能够将具有时变系数的方程转换为具有时间非变系数的方程。在磁场定向控制（FOC）中，同步电机被控制为三相独立激励的直流电机 (ia, ib, ic) 。定子电流被识别为两个正交直流（id）和正交（iq）轴电流，其中id表示负责磁场的励磁电流，iq表示负责转矩的电枢电流。 id和iq正交对齐，使得当转矩分量被控制时，励磁分量不受影响或不变。 FOC可以在零速时产生全额定转矩。由于iq产生有用的转矩并且id对转矩产生没有有用的影响，所以对于PMBLDC电动机参考直轴电流id ref被认为是零，因此当前空间矢量被迫朝向正交方向，从而实现最大转矩效率[8]。
文献[3]提出了一种基于Matlab / Simulink的空间矢量脉宽调制（SVPWM）无刷直流电动机的磁场定向控制（FOC）。 这里，实际直轴电流（id）和交轴电流（iq）与参考id ref，iq ref进行比较以生成误差信号（id error，iq error）; 并从该误差信号产生参考直轴电压（Vd ref）和正交轴电压（Vq ref）。 文献[3]没有清楚地解释，这种从id误差，iq误差到Vd ref，Vq ref的转换是如何实际完成的，并且输出结果和图也不足以解释该方法的整体特性。
文献[4]提出了一种针对带有电流反馈器的PMBLDC电机的磁场定向控制。 驱动系统在C 仿真中模拟。 文献[5]在Simulink仿真中研究了两电平逆变器的SVPWM技术，结果表明SVPWM技术更有效地利用了直流母线电压。 与正弦PWM技术相比，它产生更少的谐波失真。 在文献[6]中提出了一种电流控制SVPWM技术，用于降低三电平中性点钳位（NPC）逆变器馈电BLDC电动机中的转矩脉动。 它表明，在接通和断开阶段之间不同的电流转换速率会产生电流纹波，从而在换向间隔中产生换向转矩脉动。
本研究旨在设计和分析电流和速度为反馈的PMBLDC电机的面向场空间矢量脉宽调制控制的性能。
2.机器的数学模型
定子相电压 = Vas , Vbs , Vcs
定子线电压 = Vab , Vbc , Vca
每相的定子电阻= Rs
相位自感 =Laa , Lbb and Lcc
互电感= Lab , Lbc and Lca Laa = Lbb = Lcc = L
Lab = Lba = Lac = Lca = Lbc = Lcb = M
相反电动势= ea，eb和ec
定子电流= ia，ib，ic
对于一个平衡的系统，有方程式（1）（2）；
三相电压方程出自文献[1]，在方程式（3）中，用Vbs代替Vbs，用Vcs代替Vbs，用Vas代替Vcs，其中Vab，Vbc，Vca是线电压。根据等式（1），有方程式（6）；在方程（4）中，用Vbc代替Vab，用Vca代替Vbc，用Vab代替Vca，如公式（7）。
电磁转矩出自文献[2]，公式（8）；如果惯性表示为J，摩擦系数为B，负载转矩为T则运动系统方程出自文献[2]，即公式（9）；机械速度和电子转子位置的关系出自文献[2]，即公式（10）；梯形反电动势在文献[2,3]中给出，即方程式（11）；
其中：
转子转速=
磁链=
转子位置=
微分方程根据变量定义已开发的模型。和时间是一个独立变量。
3.预防性制度
所提出的PMBLDC电机控制系统框图如图1所示。 所提出的控制系统使用电流和速度反馈的磁场定向技术来生成正交和直轴参考电压。
然后在PWM控制器中应用空间矢量PWM方法产生连续的六个门脉冲。 它们被馈送到反相器晶体管门电路中用于控制电压产生 受控电压施加到PMBLDC电机以产生所需的速度。在PI控制器中，比例模式决定了电流误差的分析，积分模式决定了基于最近误差的分析。 我们可以实现PI控制器的算法（出自文献[2]），参考公式（12）。
=（参考值-实际值）；
和 是比例和积分增益。
公式（13）中，其中 是参考转矩，Kt是转矩常数（出自文献[4]）。 只有正交电流产生有用的转矩。因此，P-I控制器以正交电流工作，并将请求的转矩作为输入。 这会导致正交电流根据需要追踪所需的转矩[3]。如果实际速度为（ ），参考速度为（），则结果误差为（），它在PI控制器中处理以估算参考正交轴电流 。有公式（14-15）。
在这个控制系统中，通过使用公式（16-17），和增益常数可以用速度进行调节。 其中，和是初始增益常数; 和是比例和积分增益常数的调谐器。
参考直接轴电流idref被视为零。
使用Clarke变换和Park变换将三相输出电流转换成直轴电流id和正交轴电流iq（出自文献[7]）。来自其他两个PI控制器的输出通过镜像对电机电流执行的转换来表示相对于转子的电压空间矢量（文献[3]）。将参考直流电流和生成的直流电流进行比较，以通过PI控制器生成参考电压Vdref。比较参考电流和生成的正交轴电流，通过PI控制器生成参考电压Vdref。参考公式（18-21）
通过使用等式（22-23），kP1，kI1，kP2和kI2增益常数可通过速度误差进行调整。 其中，kP0和kI0是初始增益常数; k1和k2是调音台的比例和积分增益常数。
这些信号由SVPWM处理，为输出逆变桥产生电压控制信号。 六个逆变器开关依次打开或关闭，以产生所需的输出电压，这是使用表（1）从BLDC电机获得所需速度所需的。如表（1）所示，SVPWM技术通过八种开关模式（V0至V7）的组合来近似参考电压。基于在b平面中开关矢量的表示来使用SVPWM技术来确定开关瞬间。使用图（2）中所示的旋转参考矢量来提供电压参考.svpwm基于以下步骤来实现：
1.计算Vdref，Vqref，Vref和角度（a）；
2.计算持续时间T1，T2和T0；
3.然后，确定每个晶体管（S1至S6）的开关时间。
参考电压等式出自文献[5]，如公式（24-25）；
在任何部门切换时间（出自文献[5]）：
如果n = 1至6（扇区1至6），参考公式（26-30）；
其中T1，T2和T0代表向量V1，V2和V0的时间宽度。 T0是空矢量采样周期。 当每个开关周期Tz开始并以零向量结束时。 Sa ，Sb 和Sc 是逆变器的三个上开关。 表（1）给出了三相逆变器的开关配置和输出电压。
4.结果与讨论
系统仿真由C 程序代码完成，使用代码块软件运行此仿真，并使用由C 程序仿真生成的数据文件通过Origin软件进行绘图。如下所述考虑电动机的参数：
电机以1000 rpm的恒定速度运行。如图（3）所示，电机在1000转时达到0.16秒的全速，没有任何过冲。图（4a）中EMF为零。但是，当电机达到所需的速度时，反电动势变成如图（4b）所示的梯形形状。在瞬间时间内，当速度上升时，高电流流过，如图（5a）所示。但在电机达到所需速度0.16秒后，电流水平下降并稳定下来，如图（5b）所示。变频器输出电压是PMBLDC电机的输入。如图（6）所示，线电压是矩形曲线。电压形状或占空比的宽度根据控制器变化来控制速度。根据Vref在特定电压扇区中的位置，晶体管开关依次开启和关闭。 V0和V7部分没有电压。图（7）中的六角形双轴（alpha;-beta;）电压曲线显示了SVPWM特性。图（8）中的转子角度曲线显示了转子的单向360度旋转。
对于变速状态，我们考虑初始500 rpm的转速，0.7秒的转速增加到1000 rpm后，1.6秒的转速增加到1400 rpm的转速，如图（9）所示。 由于机械功率是反电动势和电枢电流的乘积，随着速度的增加，反电动势增加，因为需要更多的机械功率来提高图（10）所示的速度。 图（12）显示转子角度变化频率，随转子速度增加而增加。电机在变速状态下表现良好。
我们分析了PMBLDC电机的面向空间矢量脉宽调制控制系统。 在这种SVPWM控制方法中，感测电流和速度并将其反馈给系统。 参考电压（Vdref，Vqref）由电流误差信号（i derror，i qerror）使用自适应PI控制器产生。 面向磁场的SVPWM控制速度响应快，其他特性也很好。 对于需要速度控制的快速响应的空间技术和医疗设备，这种采用BLDC电机的控制方法可以成为解决方案。
10千瓦小型电动汽车用永磁无刷电机优化与验证
Bogdan Dumitru VARATICEANU1 , Paul MINCIUNESCU1 , Silviu Stefan MATEI1 , Constantin NICOLESCU1 ,
(1伺服电机系，等离子体刻蚀，布加勒斯特，罗马尼亚)
摘要:本文介绍了用于小型电动汽车转换的工业用永磁无刷同步电机的选择及设计最优化。对适用于大转矩的，同时降低齿槽定位转矩、减少转矩脉动的定子结构进行了分析。采用有限元分析方法对不同电机构型的性能进行了评价。完成了一项验证配置特性的电机实验。将反电势和转矩的测量值与数值预测值进行了比较。
1 简介
在过去的几年中，人们越来越重视减少碳排放和改善空气质量，特别是在空气污染越来越严重的大城市里。与内燃机(internal combustion engine,ICE)车辆有关的影响是氮氧化物排放的烟雾，全球变暖和温室效应。由于石油价格的波动，以及由于降低噪音、低运营和维护价格等相关优势，电力移动概念受到了广泛关注。每一个主要汽车生产商都向市场推出了混合动力和电力的汽车（EVs），并提出了不同的技术以为减少污染提供解决方法。然而，与新型混合动力电力汽车有关的主要问题在于，其购买价格会是传统汽车价格的1.5倍到3倍。其它的不利条件：（新型汽车行驶）范围有限（100公里至300公里）；缺乏充电站（充电基础设施需要时间去开发）；增长的充电时间（若使用国内基础设施对其进行全面充电需要10小时）——导致电动车主要用于城市的内部。混合动力车是扩大范围的解决方案，但即使减少了污染，它仍然是存在的。有些电动汽车，例如特斯拉模型S，在充电一次后（里程）可覆盖600公里。但由于欧洲100欧元的价格，中产阶级的购买可能被“禁止”。
作为初步结论，从价格的角度来看，最方便的方法是通过电动马达和电池组代替冰和燃料箱，将小型汽车转化为电动汽车。通过保持变速箱、机械差速器和车轮驱动轴等传动部件，小型车的转换价格可能会降低到10欧元以下，这代表不到电动汽车价格的一半。超过50%的EV转换表示电池组的购买价格。为了获得较低的电动汽车转换价格，且因为它是一个解决相对较少车辆的短期解决方案，电动机必须从市场上可供工业用途种类中选择。本文介绍了ICPE所做的工作，旨在选择和优化工业电机，将其纳入电动推进系统中，用于将大众甲壳虫转化为电动汽车。
2 选择电动机型号
电动机必须满足一系列要求才能成为用于电力推进系统[1]，如：
bull;与高功率密度和高效率有关的性能要求有利于减轻车重和增加行驶里程;
bull;负载要求如低速高扭矩，高速低扭矩，高动态加减速，频繁起停等;
bull;电压要求：高电压将导致逆变器的成本和尺寸降低，但会涉及大量串联的电池，这会增加电池组的成本；
为了最大限度地利用电动机在广泛的速度范围内工作的能力，建议使用某种速度的变速器。然而，由于电动机价格上涨（需要特殊设计和复杂的控制策略）以及单速变速箱的附加价格，此配置不适用于EV转换。通过使用车辆配备的多速变速箱，将需要使用速度范围减小的电动机，从而降低由以下组成的组件的价格：电动机，变频器和齿轮箱。
对可集成在电动推进系统中的电动机类型进行了全面研究，所得出的结论总结如
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