无刷直流电机DTC双环控制系统中的两相导通方式

在20世纪永磁材料的性能刚刚过关，永磁同步电动机刚刚能够在实际场合中应用的最初年月里，永磁同步电动机的设计和制造还处于初级阶段，特别是当时高档次的增量式光电位置传感器和绝对式光电位置传感器价格都较昂贵，因此，实际应用对永磁同步电动机调速系统有两种明显不同的要求：在一些如数控机床之类的高档次产品中，要求调速系统性能高，于是对电动机的制作成本、位置传感器的选购价格放得比较宽；而另一些性能要求不高的普通产品，则希望价格便宜。这两种截然不同的实际需求，导致了两种不同的永磁同步电动机调速系统诞生，这就是前面几章研究的正弦波永磁同步电动机调速系统和本章将要开始研究的无刷直流电动机调速系统（也可以称为方波永磁同步电动机）。这两类永磁同步电动机的结构不同，导致了它们在电磁现象和电磁转矩的规律方面出现了许多不同。

正弦波永磁同步电动机的定子电枢绕组采用分布短距绕组的形式，制作复杂。控制多为高级方案，为保证它的准确控制，常要配备高档的位置传感器，如增量式光电位置传感器或绝对式光电位置传感器。而无刷直流电动机恰恰相反，无刷直流电动机的定子电枢绕组采用简单的整距集中绕组，制作非常方便，适宜大规模生产。它的控制方案也相对简单，为三相六拍控制方法，该控制方案只要求三只廉价可靠的霍尔位置传感器。可见，两种电动机结构相差很大，正弦波永磁同步电动机结构复杂，价格较贵，而无刷直流电动机结构简单，价格较低。

结构不同，使得它们的性能也不同。正弦波永磁同步电动机的反电动势和电枢电流为正弦波，在一般情况下，电流是连续的，因此，输出转矩较平稳，调速范围可达1：5000以上。而廉价的无刷直流电动机反电动势为梯形波，稳态理想电枢电流为方波，均为非正弦波形。和正弦波永磁同步电动机电流始终连续的现象完全不同，电流可能出现断流现象。无刷直流电动机的非正弦性和电流断流现象都将会对定子磁链、电磁转矩产生较大影响，导致输出转矩脉动较大，因此调速范围通常只能达1：100以下。(www.zuozong.com)

由于两类永磁同步电动机在结构、性能、价格方面如此不同，20世纪70～90年代正弦波永磁同步电动机主要用于数控机床等高档设备上，而无刷直流电动机则用于低档设备中。进入20世纪90年代以后，情况有了很大的变化。根据市场的要求，低档设备不断在提升自己的性能，用于低档设备中的无刷直流电动机调速系统不得不也要提高运行性能，力求提高电磁转矩动态响应性能来抑制其转矩脉动。在这期间，很多优秀的控制方法被应用，使无刷直流电动机的转矩脉动大大好转。其中，就有DTC技术。但是，早期在无刷直流电动机中得到应用的DTC技术显得理论有些不完备，没有使用空间电压矢量的概念，只使用变换器的输出电压的概念，DTC的色彩显得较模糊。2005年英国谢菲尔德大学的Z.Q.Zhu教授等人针对无刷直流电动机有断流状态的特殊情况，提出用6个数字而不是用传统的3个数字来描述空间电压矢量^[9]，使无刷直流电动机DTC理论开始走向正规的发展之路。

在前几章研究了正弦波永磁同步电动机的DTC策略后，从本章开始的以后四章中，将研究无刷直流电动机的DTC策略。作者打算从2005年英国谢菲尔德大学Z.Q.Zhu教授对无刷直流电动机提出的定子磁链幅值|ψ_s|和电磁转矩T_e双环控制的DTC策略^[9]入手，在第8～10章中展开双环控制的无刷直流电动机DTC策略的研究。而在第11章提出一种无刷直流电动机DTC的单环控制策略。它们的目的只有一个，即尽可能保持它原有的“结构简单，价格较低”优点的基础上，提高无刷直流电动机的动态性能，抑制无刷直流电动机的转矩脉动。