基于NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略優(yōu)化與性能研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程中，電機(jī)作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)（PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM）憑借其高效率、高功率密度、良好的調(diào)速性能以及快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)、交通、可再生能源等眾多領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。在工業(yè)領(lǐng)域，永磁同步電機(jī)被廣泛應(yīng)用于泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)等設(shè)備，為其提供穩(wěn)定動(dòng)力輸出，同時(shí)其高效能轉(zhuǎn)換特性可有效降低能耗，提高生產(chǎn)效率；在交通領(lǐng)域，尤其是電動(dòng)汽車中，永磁同步電機(jī)作為核心驅(qū)動(dòng)部件，能夠顯著提高車輛續(xù)航里程，降低能耗和排放，實(shí)現(xiàn)綠色出行；在可再生能源領(lǐng)域，如風(fēng)力發(fā)電中，永磁同步電機(jī)可將風(fēng)能高效轉(zhuǎn)化為電能，并通過逆變器與電網(wǎng)連接，推動(dòng)清潔能源的發(fā)展。然而，永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制面臨諸多挑戰(zhàn)。其自身具有非線性、強(qiáng)耦合的特性，運(yùn)行過程中還存在許多非線性和時(shí)變特性，導(dǎo)致對(duì)其精確控制難度較大。為了充分發(fā)揮永磁同步電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)電機(jī)控制的高要求，先進(jìn)的控制策略至關(guān)重要，矢量控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。矢量控制通過坐標(biāo)變換，將永磁同步電機(jī)的定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，能夠有效提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度以及運(yùn)行效率，降低能量損耗，還能較好地應(yīng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和外部環(huán)境干擾，保持電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。在矢量控制技術(shù)中，逆變器作為連接電源與電機(jī)的關(guān)鍵裝置，其性能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行效果有著直接影響。中性點(diǎn)鉗位型（NeutralPointClamped,NPC）三電平逆變器是多電平逆變器中應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)。相較于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，NPC型三電平逆變器輸出的電壓有正電平、負(fù)電平和零電平三個(gè)電平，其輸出波形更接近正弦波，諧波含量大幅減少，電能質(zhì)量更高；開關(guān)管所承受的電壓僅為兩電平的一半，有效減輕了電磁干擾（EMI）問題；當(dāng)開關(guān)器件工作在較低頻率下也能保持較好的輸出波形，開關(guān)損耗更低，電源轉(zhuǎn)化效率更高。這些優(yōu)勢(shì)使得NPC型三電平逆變器在高壓、大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新能源發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。研究NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從提高電機(jī)性能方面來看，通過深入研究該矢量控制策略，優(yōu)化控制算法和參數(shù)，可以進(jìn)一步提升永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、調(diào)速精度和運(yùn)行效率，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使其在不同工況下都能穩(wěn)定、高效運(yùn)行，從而更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)高性能的需求。從拓展應(yīng)用場(chǎng)景角度而言，高性能的電機(jī)控制策略能夠推動(dòng)永磁同步電機(jī)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，如在航空航天領(lǐng)域，對(duì)電機(jī)的輕量化、高效率和高可靠性要求極高，改進(jìn)后的矢量控制策略有望使永磁同步電機(jī)滿足這些苛刻條件，實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用；在智能機(jī)器人領(lǐng)域，精確的電機(jī)控制可提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和靈活性，拓寬永磁同步電機(jī)在該領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。此外，該研究還有助于推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)電力電子技術(shù)、控制理論等學(xué)科的交叉融合與創(chuàng)新發(fā)展，為其他電機(jī)控制技術(shù)的研究提供有益的借鑒和參考。同時(shí)，培養(yǎng)一批具備跨學(xué)科知識(shí)和創(chuàng)新能力的科研人才，為我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的人才支撐。綜上所述，對(duì)NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略展開深入研究，具有重要的理論價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀永磁同步電機(jī)矢量控制及NPC型三電平逆變器應(yīng)用的研究在國(guó)內(nèi)外均取得了豐富成果，同時(shí)也存在一些待解決的問題。在國(guó)外，相關(guān)研究起步較早且持續(xù)深入。早期，學(xué)者們專注于永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立與矢量控制基本原理的探索。隨著理論研究的深入，為了提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，一些學(xué)者提出了改進(jìn)的矢量控制算法。例如，在傳統(tǒng)矢量控制基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)控制策略，通過實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，有效應(yīng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行過程中參數(shù)變化和外部干擾，顯著提升了電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和控制精度。在NPC型三電平逆變器應(yīng)用方面，國(guó)外研究主要聚焦于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)制策略改進(jìn)。通過改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低了逆變器的開關(guān)損耗和成本；在調(diào)制策略上，提出了新型的空間矢量調(diào)制算法，進(jìn)一步提高了直流電壓利用率和輸出波形質(zhì)量，減少了諧波含量。國(guó)內(nèi)的研究緊跟國(guó)際步伐，在永磁同步電機(jī)矢量控制和NPC型三電平逆變器應(yīng)用領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展。在矢量控制算法研究中，結(jié)合智能控制理論，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)的智能控制。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)和優(yōu)化，提高了控制算法的魯棒性和適應(yīng)性；模糊控制則根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，有效改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。在NPC型三電平逆變器研究中，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)其應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，如中點(diǎn)電位平衡控制、開關(guān)器件的可靠性等，提出了一系列解決方案。通過改進(jìn)控制策略和電路結(jié)構(gòu)，有效解決了中點(diǎn)電位偏移問題，提高了逆變器的穩(wěn)定性和可靠性。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。在矢量控制方面，雖然已有多種改進(jìn)算法，但在復(fù)雜工況下，如電機(jī)高速運(yùn)行、負(fù)載突變等，控制策略的魯棒性和適應(yīng)性仍有待提高。同時(shí)，控制器參數(shù)的整定過程較為復(fù)雜，缺乏系統(tǒng)、有效的方法，難以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的參數(shù)優(yōu)化。在NPC型三電平逆變器應(yīng)用中，中點(diǎn)電位平衡控制仍是一個(gè)關(guān)鍵難題，現(xiàn)有控制方法在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度之間難以達(dá)到良好的平衡。此外，逆變器的效率優(yōu)化和電磁兼容問題也需要進(jìn)一步研究，以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)高效、低干擾的要求。綜上所述，盡管永磁同步電機(jī)矢量控制及NPC型三電平逆變器應(yīng)用的研究已取得豐碩成果，但仍有許多問題亟待解決。未來的研究需圍繞提高控制策略的魯棒性和適應(yīng)性、優(yōu)化NPC型三電平逆變器性能等方向展開，以推動(dòng)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略，通過理論分析、算法改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化矢量控制策略，提升永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能，解決當(dāng)前研究中存在的問題，為其在工業(yè)、交通等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)保障。具體研究?jī)?nèi)容如下：永磁同步電機(jī)矢量控制策略分析：詳細(xì)闡述永磁同步電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，深入分析矢量控制的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，包括坐標(biāo)變換、電流解耦控制等關(guān)鍵技術(shù)。研究不同矢量控制方法，如基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制（FOC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等，對(duì)比它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景，為后續(xù)的算法改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。NPC型三電平逆變器分析與控制：剖析NPC型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，研究其空間矢量調(diào)制（SVPWM）算法，分析該算法在實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。針對(duì)NPC型三電平逆變器應(yīng)用中的中點(diǎn)電位平衡問題，深入研究現(xiàn)有的控制方法，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并提出改進(jìn)措施，以提高逆變器的穩(wěn)定性和可靠性。矢量控制算法改進(jìn)與優(yōu)化：針對(duì)當(dāng)前矢量控制策略在復(fù)雜工況下魯棒性和適應(yīng)性不足的問題，結(jié)合智能控制理論，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，對(duì)矢量控制算法進(jìn)行改進(jìn)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)和優(yōu)化，提高控制算法對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和外部干擾的適應(yīng)能力；引入模糊控制，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)，研究控制器參數(shù)整定的優(yōu)化方法，采用智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的快速、準(zhǔn)確優(yōu)化，提高系統(tǒng)的控制性能。系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：基于MATLAB/Simulink等仿真平臺(tái)，搭建NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，對(duì)改進(jìn)后的矢量控制策略進(jìn)行仿真分析。通過設(shè)置不同的工況，如電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、負(fù)載突變等，驗(yàn)證控制策略在不同條件下的性能表現(xiàn)，包括轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電流諧波等指標(biāo)。根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化控制策略和參數(shù)。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用合適的永磁同步電機(jī)、NPC型三電平逆變器、控制器等硬件設(shè)備，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。將仿真驗(yàn)證后的矢量控制策略應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證控制策略的實(shí)際有效性和可行性，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果，分析差異原因，進(jìn)一步完善控制策略。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等多種方法，深入研究NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略。理論分析方面，深入研究永磁同步電機(jī)矢量控制及NPC型三電平逆變器的相關(guān)理論知識(shí)，通過查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，全面梳理永磁同步電機(jī)的工作原理、數(shù)學(xué)模型，以及矢量控制技術(shù)的基本原理、實(shí)現(xiàn)方法和不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。深入剖析NPC型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和空間矢量調(diào)制算法，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。針對(duì)當(dāng)前研究中存在的問題，如矢量控制策略在復(fù)雜工況下的魯棒性和適應(yīng)性不足、NPC型三電平逆變器的中點(diǎn)電位平衡控制難題等，從理論層面進(jìn)行深入分析，探討問題產(chǎn)生的根源和可能的解決方案。仿真建模方面，借助MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，搭建NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。在模型搭建過程中，嚴(yán)格按照實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用仿真模型，對(duì)不同工況下的永磁同步電機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行模擬分析，如電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、負(fù)載突變等工況，通過觀察和分析仿真結(jié)果，研究矢量控制策略的性能表現(xiàn)，包括轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電流諧波等指標(biāo)。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)控制策略和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面，搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用合適的永磁同步電機(jī)、NPC型三電平逆變器、控制器等硬件設(shè)備，并進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和連接。將經(jīng)過仿真驗(yàn)證的矢量控制策略應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證控制策略在實(shí)際運(yùn)行中的有效性和可行性。在實(shí)驗(yàn)過程中，采集和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證和完善控制策略。針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，及時(shí)進(jìn)行分析和解決，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和控制策略，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究的技術(shù)路線如圖1所示：確定研究目標(biāo)與內(nèi)容：明確研究NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略的目標(biāo)和具體內(nèi)容，包括分析永磁同步電機(jī)矢量控制策略、NPC型三電平逆變器分析與控制、矢量控制算法改進(jìn)與優(yōu)化以及系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面。理論研究：深入研究永磁同步電機(jī)和矢量控制的基本原理，建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型；剖析NPC型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和空間矢量調(diào)制算法，分析中點(diǎn)電位平衡問題及現(xiàn)有控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。算法改進(jìn)與優(yōu)化：結(jié)合智能控制理論，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，對(duì)矢量控制算法進(jìn)行改進(jìn)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)和優(yōu)化，引入模糊控制增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。采用智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定優(yōu)化。仿真分析：基于MATLAB/Simulink搭建矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)置不同工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析仿真結(jié)果，評(píng)估控制策略的性能，根據(jù)結(jié)果對(duì)控制策略和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫，將優(yōu)化后的矢量控制策略應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采集和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證控制策略的實(shí)際有效性和可行性，進(jìn)一步完善控制策略?？偨Y(jié)與展望：總結(jié)研究成果，撰寫研究報(bào)告和學(xué)術(shù)論文，對(duì)研究過程中存在的問題進(jìn)行分析和反思，提出未來的研究方向和展望。通過以上研究方法和技術(shù)路線，本研究將深入探究NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制策略，為提高永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能和拓展其應(yīng)用領(lǐng)域提供有力的支持。二、NPC型三電平逆變器與永磁同步電機(jī)理論基礎(chǔ)2.1NPC型三電平逆變器工作原理2.1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)NPC型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由直流側(cè)電容、開關(guān)管和鉗位二極管組成，如圖2所示。直流側(cè)采用兩個(gè)串聯(lián)的電容C_1和C_2進(jìn)行分壓，將直流母線電壓U_{dc}分為相等的兩部分，即U_{C1}=U_{C2}=\frac{U_{dc}}{2}，其中心點(diǎn)O被稱為中性點(diǎn)。每相橋臂由四個(gè)開關(guān)管S_{1}-S_{4}和兩個(gè)鉗位二極管D_{1}、D_{2}組成。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)逆變器的不同工作狀態(tài)，從而輸出不同電平的電壓。在實(shí)際運(yùn)行中，NPC型三電平逆變器每相橋臂存在三種工作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)三種不同的電平輸出：正電平狀態(tài)（）：當(dāng)開關(guān)管S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，S_{3}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流電源的正端流出，經(jīng)過S_{1}、S_{2}流向負(fù)載，此時(shí)輸出端的電壓為+U_{dc}/2，這種狀態(tài)通常用于輸出正半周的較高電壓部分。零電平狀態(tài)（）：當(dāng)S_{2}和S_{3}導(dǎo)通，S_{1}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流通過鉗位二極管D_{1}或D_{2}流通，輸出端的電壓被鉗位在中性點(diǎn)電位，即輸出電壓為0。在這種狀態(tài)下，逆變器可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的過渡和調(diào)整，減少電壓跳變，降低諧波含量。負(fù)電平狀態(tài)（）：當(dāng)S_{3}和S_{4}導(dǎo)通，S_{1}和S_{2}關(guān)斷時(shí)，電流從負(fù)載流向直流電源的負(fù)端，經(jīng)過S_{3}、S_{4}，此時(shí)輸出端的電壓為-U_{dc}/2，用于輸出負(fù)半周的較低電壓部分。通過對(duì)三相橋臂的不同工作狀態(tài)進(jìn)行組合，可以得到三相交流輸出電壓，其合成的電壓波形更加接近正弦波，相比傳統(tǒng)的兩電平逆變器，具有更低的諧波含量。2.1.2優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域NPC型三電平逆變器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：降低諧波含量：由于其輸出電壓有三個(gè)電平，相比兩電平逆變器，其輸出波形更接近正弦波，諧波含量大幅降低。以基波頻率為50Hz的逆變器為例，兩電平逆變器輸出電壓的總諧波失真（THD）可能高達(dá)20%-30%，而NPC型三電平逆變器在相同條件下，THD可降低至5%-10%。較低的諧波含量可以減少電機(jī)的發(fā)熱和振動(dòng)，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，同時(shí)也降低了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高了電能質(zhì)量。減少開關(guān)管電壓應(yīng)力：每個(gè)開關(guān)管所承受的電壓僅為直流母線電壓的一半，即\frac{U_{dc}}{2}。在高電壓應(yīng)用場(chǎng)合，如高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電網(wǎng)輸電等，開關(guān)管的耐壓要求是一個(gè)關(guān)鍵問題。采用NPC型三電平逆變器可以降低對(duì)開關(guān)管耐壓等級(jí)的要求，選用耐壓較低、成本更低的開關(guān)管，同時(shí)也提高了開關(guān)管的可靠性和使用壽命。降低開關(guān)損耗：由于輸出電壓的諧波含量降低，在實(shí)現(xiàn)相同的輸出波形質(zhì)量時(shí)，NPC型三電平逆變器可以采用較低的開關(guān)頻率。開關(guān)頻率的降低意味著開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)減少，從而降低了開關(guān)損耗。研究表明，在相同功率和輸出要求下，NPC型三電平逆變器的開關(guān)損耗相比兩電平逆變器可降低30%-50%，提高了逆變器的效率，減少了能量損耗?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，NPC型三電平逆變器在以下領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：新能源發(fā)電領(lǐng)域：在風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，NPC型三電平逆變器可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并接入電網(wǎng)。在風(fēng)力發(fā)電中，其能夠適應(yīng)不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)的輸出特性，高效穩(wěn)定地將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中，減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，提高風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池輸出電能的有效轉(zhuǎn)換和管理，提高光伏發(fā)電效率，降低發(fā)電成本。電動(dòng)汽車領(lǐng)域：作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，NPC型三電平逆變器用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換。其低諧波輸出特性可以使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電動(dòng)汽車的駕駛舒適性；同時(shí)，較低的開關(guān)損耗和高效率有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，滿足電動(dòng)汽車對(duì)高性能、高可靠性的要求。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域：在工業(yè)生產(chǎn)中，如大型水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，NPC型三電平逆變器可提供穩(wěn)定、高效的電力，滿足工業(yè)電機(jī)對(duì)高電壓、大功率的需求。通過精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，提高工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，降低能源消耗。2.2永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型2.2.1三相靜止坐標(biāo)系下模型永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是研究其控制策略的基礎(chǔ)，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型對(duì)于深入理解電機(jī)的運(yùn)行特性和實(shí)現(xiàn)高效控制至關(guān)重要。在三相靜止坐標(biāo)系（abc坐標(biāo)系）下，永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可從電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程三個(gè)方面進(jìn)行描述。電壓方程：根據(jù)基爾霍夫電壓定律，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓方程為：\begin{cases}u_{a}=R_{s}i_{a}+\frac{d\psi_{a}}{dt}\\u_=R_{s}i_+\frac{d\psi_}{dt}\\u_{c}=R_{s}i_{c}+\frac{d\psi_{c}}{dt}\end{cases}其中，u_{a}、u_、u_{c}分別為三相定子繞組的相電壓；i_{a}、i_、i_{c}分別為三相定子繞組的相電流；R_{s}為定子繞組電阻；\psi_{a}、\psi_、\psi_{c}分別為三相定子繞組的磁鏈。該方程描述了電機(jī)運(yùn)行過程中，外加電壓與繞組電阻電壓降、磁鏈變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系，體現(xiàn)了電能在電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)化過程。磁鏈方程：永磁同步電機(jī)的定子磁鏈由定子電流產(chǎn)生的磁鏈和永磁體產(chǎn)生的磁鏈共同組成，其磁鏈方程可表示為：\begin{cases}\psi_{a}=L_{s}i_{a}+M_{ab}i_+M_{ac}i_{c}+\psi_{f}\cos\theta_{r}\\\psi_=M_{ba}i_{a}+L_{s}i_+M_{bc}i_{c}+\psi_{f}\cos(\theta_{r}-\frac{2\pi}{3})\\\psi_{c}=M_{ca}i_{a}+M_{cb}i_+L_{s}i_{c}+\psi_{f}\cos(\theta_{r}+\frac{2\pi}{3})\end{cases}其中，L_{s}為定子自感；M_{ab}、M_{ac}、M_{ba}、M_{bc}、M_{ca}、M_{cb}為定子繞組間的互感；\psi_{f}為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；\theta_{r}為轉(zhuǎn)子位置角。此方程反映了電機(jī)內(nèi)部磁鏈的構(gòu)成和相互關(guān)系，永磁體磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角相關(guān)，體現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的特性。轉(zhuǎn)矩方程：永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵物理量，其轉(zhuǎn)矩方程為：T_{e}=\frac{3}{2}p[\psi_{f}(i_{a}\sin\theta_{r}+i_\sin(\theta_{r}-\frac{2\pi}{3})+i_{c}\sin(\theta_{r}+\frac{2\pi}{3}))+(L_z3jilz61osys-L_{q})(i_{a}i_\sin\theta_{r}+i_i_{c}\sin(\theta_{r}-\frac{2\pi}{3})+i_{c}i_{a}\sin(\theta_{r}+\frac{2\pi}{3}))]其中，T_{e}為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；L_z3jilz61osys、L_{q}分別為直軸電感和交軸電感。該方程表明電磁轉(zhuǎn)矩由永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成，體現(xiàn)了電機(jī)內(nèi)部電磁相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的原理。在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，變量之間存在強(qiáng)耦合關(guān)系，不利于電機(jī)的控制和分析。為了簡(jiǎn)化電機(jī)模型，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制，通常需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。2.2.2兩相靜止坐標(biāo)系與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型為了簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的控制，提高控制性能，通常會(huì)通過坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系（\alpha\beta坐標(biāo)系）和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下。Clark變換（三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系）：Clark變換的目的是將三相靜止坐標(biāo)系下的變量轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下的變量，實(shí)現(xiàn)變量的解耦和簡(jiǎn)化。其變換矩陣為：\begin{bmatrix}i_{\alpha}\\i_{\beta}\end{bmatrix}=\frac{2}{3}\begin{bmatrix}1&-\frac{1}{2}&-\frac{1}{2}\\0&\frac{\sqrt{3}}{2}&-\frac{\sqrt{3}}{2}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{a}\\i_\\i_{c}\end{bmatrix}其中，i_{\alpha}、i_{\beta}為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量。通過Clark變換，將三相電流轉(zhuǎn)換為相互垂直的兩相電流，消除了三相電流之間的耦合關(guān)系。在\alpha\beta坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的電壓方程變?yōu)椋篭begin{cases}u_{\alpha}=R_{s}i_{\alpha}+\frac{d\psi_{\alpha}}{dt}\\u_{\beta}=R_{s}i_{\beta}+\frac{d\psi_{\beta}}{dt}\end{cases}磁鏈方程為：\begin{cases}\psi_{\alpha}=L_{s}i_{\alpha}+\psi_{f}\cos\theta_{r}\\\psi_{\beta}=L_{s}i_{\beta}+\psi_{f}\sin\theta_{r}\end{cases}電磁轉(zhuǎn)矩方程為：T_{e}=\frac{3}{2}p\psi_{f}i_{\beta}可以看出，在\alpha\beta坐標(biāo)系下，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到了一定程度的簡(jiǎn)化，電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程中的變量耦合程度降低，更便于分析和控制。Park變換（兩相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）：Park變換是將兩相靜止坐標(biāo)系下的變量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制。其變換矩陣為：\begin{bmatrix}i_z3jilz61osys\\i_{q}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\cos\theta_{r}&\sin\theta_{r}\\-\sin\theta_{r}&\cos\theta_{r}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}i_{\alpha}\\i_{\beta}\end{bmatrix}其中，i_z3jilz61osys、i_{q}為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電流和交軸電流分量，\theta_{r}為轉(zhuǎn)子位置角。在dq坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的電壓方程為：\begin{cases}u_z3jilz61osys=R_{s}i_z3jilz61osys+p\psi_z3jilz61osys-\omega_{r}\psi_{q}\\u_{q}=R_{s}i_{q}+p\psi_{q}+\omega_{r}\psi_z3jilz61osys\end{cases}磁鏈方程為：\begin{cases}\psi_z3jilz61osys=L_z3jilz61osysi_z3jilz61osys+\psi_{f}\\\psi_{q}=L_{q}i_{q}\end{cases}電磁轉(zhuǎn)矩方程為：T_{e}=\frac{3}{2}p(\psi_{f}i_{q}+(L_z3jilz61osys-L_{q})i_z3jilz61osysi_{q})其中，u_z3jilz61osys、u_{q}為dq坐標(biāo)系下的直軸電壓和交軸電壓分量；\omega_{r}為轉(zhuǎn)子電角速度；p為微分算子。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過對(duì)i_z3jilz61osys和i_{q}的獨(dú)立控制，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制。通常令i_z3jilz61osys=0，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩僅與i_{q}成正比，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的線性控制，大大簡(jiǎn)化了控制算法。兩相靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型在永磁同步電機(jī)矢量控制中具有重要作用。在矢量控制策略中，通過檢測(cè)電機(jī)的三相電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，經(jīng)過Clark變換和Park變換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，然后分別對(duì)i_z3jilz61osys和i_{q}進(jìn)行控制。通過控制i_z3jilz61osys可以調(diào)節(jié)電機(jī)的磁鏈，控制i_{q}可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效、精確控制。同時(shí)，這種坐標(biāo)變換還能提高電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和抗干擾能力，使其能夠適應(yīng)不同的工作條件和負(fù)載變化。三、永磁同步電機(jī)矢量控制策略分析3.1矢量控制基本思想與原理3.1.1磁場(chǎng)定向控制原理矢量控制（VectorControl），也被稱為磁場(chǎng)定向控制（Field-OrientedControl，F(xiàn)OC），其基本思想是通過坐標(biāo)變換，將交流電機(jī)的定子電流分解為相互獨(dú)立的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，使交流電機(jī)的控制效果等效于直流電機(jī)。在直流電機(jī)中，勵(lì)磁電流和電樞電流相互垂直，通過分別控制這兩個(gè)電流，可以方便地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，具有良好的控制性能。而交流電機(jī)的定子電流是三相正弦交流電，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，電流之間存在耦合關(guān)系，直接控制較為困難。矢量控制技術(shù)利用兩次坐標(biāo)變換來解決這一問題。首先通過Clark變換，將三相靜止坐標(biāo)系（abc坐標(biāo)系）下的電流、電壓等物理量轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系（\alpha\beta坐標(biāo)系）下，實(shí)現(xiàn)了變量的初步解耦。在\alpha\beta坐標(biāo)系下，電流分量i_{\alpha}和i_{\beta}相互垂直，消除了三相電流之間的耦合關(guān)系。然后，再通過Park變換，將兩相靜止坐標(biāo)系下的物理量轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下。在dq坐標(biāo)系中，d軸通常與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合，稱為直軸，q軸超前d軸90°電角度，稱為交軸。此時(shí)，定子電流i_{s}被分解為直軸電流分量i_z3jilz61osys和交軸電流分量i_{q}，其中i_z3jilz61osys主要用于控制電機(jī)的磁鏈，i_{q}主要用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，達(dá)到了類似直流電機(jī)的控制效果。以永磁同步電機(jī)為例，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其電壓方程為：\begin{cases}u_z3jilz61osys=R_{s}i_z3jilz61osys+p\psi_z3jilz61osys-\omega_{r}\psi_{q}\\u_{q}=R_{s}i_{q}+p\psi_{q}+\omega_{r}\psi_z3jilz61osys\end{cases}磁鏈方程為：\begin{cases}\psi_z3jilz61osys=L_z3jilz61osysi_z3jilz61osys+\psi_{f}\\\psi_{q}=L_{q}i_{q}\end{cases}電磁轉(zhuǎn)矩方程為：T_{e}=\frac{3}{2}p(\psi_{f}i_{q}+(L_z3jilz61osys-L_{q})i_z3jilz61osysi_{q})其中，u_z3jilz61osys、u_{q}為dq坐標(biāo)系下的直軸電壓和交軸電壓分量；i_z3jilz61osys、i_{q}為直軸電流和交軸電流分量；R_{s}為定子電阻；\psi_z3jilz61osys、\psi_{q}為直軸磁鏈和交軸磁鏈；\omega_{r}為轉(zhuǎn)子電角速度；p為微分算子；L_z3jilz61osys、L_{q}分別為直軸電感和交軸電感；\psi_{f}為永磁體磁鏈；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。通過對(duì)這些方程的分析和控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的精確控制。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用閉環(huán)控制策略，通過檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)，根據(jù)控制算法實(shí)時(shí)調(diào)整i_z3jilz61osys和i_{q}的給定值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確調(diào)節(jié)。3.1.2矢量控制約束條件與實(shí)現(xiàn)方式在矢量控制中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的高效、精確控制，需要滿足一些約束條件。電流解耦約束：如前文所述，矢量控制的核心是實(shí)現(xiàn)電流的解耦，即通過坐標(biāo)變換將定子電流分解為獨(dú)立的勵(lì)磁分量i_z3jilz61osys和轉(zhuǎn)矩分量i_{q}。然而，在實(shí)際電機(jī)中，由于存在電感耦合等因素，i_z3jilz61osys和i_{q}之間并非完全獨(dú)立。因此，在控制過程中需要采取解耦措施，以消除這種耦合影響。一種常見的解耦方法是采用前饋解耦控制策略，通過在控制器中引入補(bǔ)償項(xiàng)，來抵消i_z3jilz61osys和i_{q}之間的耦合作用。假設(shè)永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓方程為u_z3jilz61osys=R_{s}i_z3jilz61osys+p\psi_z3jilz61osys-\omega_{r}\psi_{q}和u_{q}=R_{s}i_{q}+p\psi_{q}+\omega_{r}\psi_z3jilz61osys，為了實(shí)現(xiàn)電流解耦，可以引入前饋解耦項(xiàng)，使實(shí)際施加的電壓u_z3jilz61osys^{*}和u_{q}^{*}滿足：\begin{cases}u_z3jilz61osys^{*}=u_z3jilz61osys+\omega_{r}L_{q}i_{q}\\u_{q}^{*}=u_{q}-\omega_{r}L_z3jilz61osysi_z3jilz61osys\end{cases}這樣，通過調(diào)整u_z3jilz61osys^{*}和u_{q}^{*}，可以有效消除i_z3jilz61osys和i_{q}之間的耦合，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）約束：在永磁同步電機(jī)的運(yùn)行過程中，為了提高電機(jī)的效率，希望在相同的電流條件下能夠產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，即滿足最大轉(zhuǎn)矩電流比約束。對(duì)于凸極式永磁同步電機(jī)，由于其直軸電感L_z3jilz61osys和交軸電感L_{q}不相等，存在磁阻轉(zhuǎn)矩，通過合理控制i_z3jilz61osys和i_{q}的大小和比例，可以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。以電磁轉(zhuǎn)矩方程T_{e}=\frac{3}{2}p(\psi_{f}i_{q}+(L_z3jilz61osys-L_{q})i_z3jilz61osysi_{q})為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)方法求解在給定電流幅值下使轉(zhuǎn)矩最大的i_z3jilz61osys和i_{q}的關(guān)系。通過對(duì)轉(zhuǎn)矩關(guān)于i_z3jilz61osys和i_{q}求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)數(shù)為零，可得到滿足最大轉(zhuǎn)矩電流比時(shí)i_z3jilz61osys和i_{q}的表達(dá)式。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)電機(jī)的參數(shù)預(yù)先計(jì)算出MTPA曲線，然后通過查表或?qū)崟r(shí)計(jì)算的方式，根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩需求確定最優(yōu)的i_z3jilz61osys和i_{q}值。實(shí)現(xiàn)矢量控制的具體方式通常包括以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：電流檢測(cè)與坐標(biāo)變換：通過電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)永磁同步電機(jī)的三相定子電流i_{a}、i_、i_{c}，然后將這些電流信號(hào)經(jīng)過Clark變換和Park變換，轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電流i_z3jilz61osys和交軸電流i_{q}。這一過程實(shí)現(xiàn)了從三相交流電流到相互解耦的直流電流分量的轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的控制提供了基礎(chǔ)。速度與位置檢測(cè)：利用速度傳感器（如編碼器）實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速\omega和轉(zhuǎn)子位置\theta_{r}。轉(zhuǎn)速信息用于速度環(huán)的反饋控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)子位置信息則用于Park變換和磁場(chǎng)定向，確保電流分量的準(zhǔn)確分解和控制。控制器設(shè)計(jì)：通常采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即速度環(huán)和電流環(huán)。速度環(huán)根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速指令\omega^{*}與實(shí)際檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速\omega的差值，通過PI控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)矩電流給定值i_{q}^{*}。電流環(huán)則根據(jù)速度環(huán)輸出的i_{q}^{*}以及給定的i_z3jilz61osys^{*}（通常在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制或i_z3jilz61osys=0控制等策略下確定），與實(shí)際檢測(cè)并變換后的i_z3jilz61osys、i_{q}進(jìn)行比較，通過PI控制器計(jì)算出dq坐標(biāo)系下的電壓給定值u_z3jilz61osys^{*}和u_{q}^{*}。逆變換與PWM調(diào)制：將計(jì)算得到的u_z3jilz61osys^{*}和u_{q}^{*}經(jīng)過Park逆變換和Clark逆變換，轉(zhuǎn)換為三相靜止坐標(biāo)系下的電壓指令u_{a}^{*}、u_^{*}、u_{c}^{*}。然后，這些電壓指令通過空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）等調(diào)制方法，生成逆變器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器的輸出電壓和頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制。3.2常見矢量控制策略對(duì)比3.2.1id=0控制策略id=0控制策略是永磁同步電機(jī)矢量控制中較為基礎(chǔ)且常用的一種策略。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下，該策略將直軸電流i_z3jilz61osys設(shè)定為0，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩方程簡(jiǎn)化為T_{e}=\frac{3}{2}p\psi_{f}i_{q}。這意味著電磁轉(zhuǎn)矩僅由交軸電流i_{q}決定，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制，使控制算法變得相對(duì)簡(jiǎn)單。由于i_z3jilz61osys=0，電機(jī)的磁鏈主要由永磁體產(chǎn)生，避免了直軸電流對(duì)磁鏈的影響，有利于保持磁鏈的穩(wěn)定性。在低速運(yùn)行工況下，id=0控制策略表現(xiàn)出良好的性能。由于低速時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)較低，對(duì)逆變器的電壓要求不高，此時(shí)通過控制交軸電流i_{q}可以較為精確地控制電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠穩(wěn)定地輸出轉(zhuǎn)矩，滿足負(fù)載的需求。在一些對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的低速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備中，如工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，id=0控制策略能夠使電機(jī)在低速下保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出，確保機(jī)器人關(guān)節(jié)的精確運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速工況時(shí)，id=0控制策略的局限性逐漸顯現(xiàn)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)增大，逆變器輸出電壓需要相應(yīng)提高以維持電機(jī)的正常運(yùn)行。但由于該策略沒有充分利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，在相同的轉(zhuǎn)矩輸出要求下，需要較大的交軸電流i_{q}，這會(huì)導(dǎo)致逆變器的容量需求增加，同時(shí)電機(jī)的銅耗也會(huì)增大，降低了系統(tǒng)的效率。在電動(dòng)汽車的高速行駛場(chǎng)景中，若采用id=0控制策略，電機(jī)的能耗會(huì)明顯增加，影響車輛的續(xù)航里程。對(duì)于凸極式永磁同步電機(jī)，由于其直軸電感L_z3jilz61osys和交軸電感L_{q}不相等，存在磁阻轉(zhuǎn)矩，而id=0控制策略忽略了磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，使得電機(jī)的電流利用率較低，無法充分發(fā)揮電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)。3.2.2最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制策略最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA，MaximumTorquePerAmpere）控制策略的核心目標(biāo)是在給定的電流幅值下，通過優(yōu)化直軸電流i_z3jilz61osys和交軸電流i_{q}的分配，使電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，從而提高電機(jī)的效率。對(duì)于凸極式永磁同步電機(jī)，其電磁轉(zhuǎn)矩由永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成，轉(zhuǎn)矩方程為T_{e}=\frac{3}{2}p(\psi_{f}i_{q}+(L_z3jilz61osys-L_{q})i_z3jilz61osysi_{q})。MTPA控制策略通過對(duì)該方程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，利用拉格朗日乘數(shù)法等方法求解出在不同轉(zhuǎn)矩需求下，使電流幅值最小的i_z3jilz61osys和i_{q}的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)電機(jī)的參數(shù)預(yù)先計(jì)算出MTPA曲線，該曲線反映了不同轉(zhuǎn)矩下最優(yōu)的i_z3jilz61osys和i_{q}值。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩需求，查詢MTPA曲線或?qū)崟r(shí)計(jì)算，確定對(duì)應(yīng)的i_z3jilz61osys和i_{q}給定值，從而實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。與id=0控制策略相比，MTPA控制策略在提高電機(jī)效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在相同的轉(zhuǎn)矩輸出條件下，MTPA控制策略能夠使電機(jī)的定子電流幅值最小。根據(jù)焦耳定律P=I^{2}R（其中P為功率，I為電流，R為電阻），電流的減小意味著電機(jī)銅耗的降低。在工業(yè)生產(chǎn)中的大型水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備中，采用MTPA控制策略可以有效降低電機(jī)的能耗，提高能源利用效率，降低生產(chǎn)成本。MTPA控制策略充分利用了凸極式永磁同步電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。通過合理控制i_z3jilz61osys和i_{q}，使磁阻轉(zhuǎn)矩得到充分發(fā)揮，在不增加電流的情況下提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步提高了電機(jī)的性能和效率。3.2.3弱磁控制策略弱磁控制策略主要應(yīng)用于永磁同步電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，其目的是在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后，通過調(diào)節(jié)直軸電流i_z3jilz61osys，使電機(jī)的磁鏈減弱，從而維持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和性能。在永磁同步電機(jī)中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E=k_{e}\omega_{r}\varPsi（其中k_{e}為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，\omega_{r}為轉(zhuǎn)子電角速度，\varPsi為磁鏈）會(huì)不斷增大。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)接近或超過逆變器的輸出電壓極限時(shí)，電機(jī)將無法正常運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，弱磁控制策略通過控制直軸電流i_z3jilz61osys為負(fù)值，產(chǎn)生一個(gè)與永磁體磁鏈相反的磁場(chǎng)，從而削弱電機(jī)的總磁鏈，降低反電動(dòng)勢(shì)，使電機(jī)能夠在高速下繼續(xù)運(yùn)行。弱磁控制策略的適用場(chǎng)景主要是電機(jī)需要在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，且高速運(yùn)行時(shí)仍需保持一定轉(zhuǎn)矩輸出的情況。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，車輛在高速行駛時(shí)，電機(jī)需要在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行以滿足車速要求，同時(shí)還需要提供足夠的轉(zhuǎn)矩來克服空氣阻力和路面摩擦力等，弱磁控制策略能夠使永磁同步電機(jī)滿足這些要求，保證電動(dòng)汽車的高速性能。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生較大范圍的變化，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，發(fā)電機(jī)需要在高速下運(yùn)行，弱磁控制策略可以使發(fā)電機(jī)在高速時(shí)穩(wěn)定發(fā)電。然而，弱磁控制策略也存在一些控制難點(diǎn)。在弱磁過程中，由于磁鏈的減弱，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)相應(yīng)減小，如何在保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，維持足夠的轉(zhuǎn)矩輸出是一個(gè)關(guān)鍵問題。弱磁控制對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化較為敏感，電機(jī)參數(shù)的變化會(huì)影響弱磁控制的效果和穩(wěn)定性，需要采用有效的參數(shù)辨識(shí)和補(bǔ)償方法來提高控制的精度和可靠性。弱磁控制還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的鐵耗增加，需要綜合考慮電機(jī)的損耗和效率，優(yōu)化控制策略。四、NPC型三電平逆變器的SVPWM調(diào)制算法4.1SVPWM控制策略原理4.1.1空間電壓矢量概念與合成空間電壓矢量是SVPWM調(diào)制算法中的核心概念，其以三相波形整體生成效果為前提，旨在逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡。在三相交流電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，可產(chǎn)生一系列不同的電壓矢量，這些矢量在空間上具有特定的幅值和方向，并且其合成效果決定了電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于三相逆變器，假設(shè)其直流母線電壓為U_{dc}，通過控制逆變器中開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以得到不同的三相輸出電壓組合。以兩電平逆變器為例，每相橋臂有兩種開關(guān)狀態(tài)，三相橋臂組合起來共有2^3=8種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8個(gè)基本電壓矢量，其中6個(gè)為非零矢量，2個(gè)為零矢量。這些基本電壓矢量在空間上均勻分布在一個(gè)六邊形的頂點(diǎn)上。在\alpha-\beta坐標(biāo)系下，三相電壓u_a、u_b、u_c可以通過Clark變換轉(zhuǎn)換為空間矢量形式：\begin{bmatrix}u_{\alpha}\\u_{\beta}\end{bmatrix}=\frac{2}{3}\begin{bmatrix}1&-\frac{1}{2}&-\frac{1}{2}\\0&\frac{\sqrt{3}}{2}&-\frac{\sqrt{3}}{2}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}u_{a}\\u_\\u_{c}\end{bmatrix}通過控制這8個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間和順序，可以合成任意方向和大小的參考電壓矢量。其合成原理基于電壓平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期T_s內(nèi)，通過合理組合基本電壓矢量，使它們的平均值與給定的參考電壓矢量相等。假設(shè)在某一時(shí)刻，參考電壓矢量\vec{V}_{ref}位于由兩個(gè)相鄰非零矢量\vec{V}_1和\vec{V}_2以及零矢量\vec{V}_0（或\vec{V}_7）所構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)伏秒平衡原則，有：\vec{V}_{ref}T_s=\vec{V}_1T_1+\vec{V}_2T_2+\vec{V}_0T_0其中，T_1、T_2分別為非零矢量\vec{V}_1、\vec{V}_2的作用時(shí)間，T_0為零矢量的作用時(shí)間，且T_1+T_2+T_0=T_s。通過求解上述方程，可以確定各個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)參考電壓矢量的合成。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用七段式SVPWM調(diào)制方式，將一個(gè)開關(guān)周期分為七段，按照一定的順序依次施加不同的電壓矢量。以第一扇區(qū)為例，其開關(guān)模式一般為\vec{V}_0-\vec{V}_1-\vec{V}_2-\vec{V}_7-\vec{V}_2-\vec{V}_1-\vec{V}_0，這種方式可以有效減少開關(guān)損耗，并且使輸出電壓波形更加接近正弦波。通過不斷地切換和組合這些基本電壓矢量，就可以在電機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生接近理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。4.1.2三電平逆變器空間電壓矢量分布NPC型三電平逆變器每相橋臂有三種開關(guān)狀態(tài)，三相橋臂組合起來共有3^3=27種開關(guān)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)27個(gè)空間電壓矢量。然而，其中有一些矢量是冗余的，獨(dú)立的電壓矢量只有19個(gè)，這些獨(dú)立矢量被稱為“基本電壓矢量”，其余8個(gè)為“冗余矢量”。這些基本電壓矢量根據(jù)其幅值和位置的不同，可以分為零矢量、短矢量、中矢量和長(zhǎng)矢量。零矢量共有3個(gè)，分別為(0,0,0)、(1,1,1)和(2,2,2)，它們的幅值為0，在空間矢量圖中位于坐標(biāo)原點(diǎn)。零矢量的作用主要是在矢量合成過程中，用于調(diào)整合成矢量的方向和幅值，同時(shí)也可以減少開關(guān)損耗。在合成參考電壓矢量時(shí)，合理地插入零矢量可以使逆變器的開關(guān)狀態(tài)切換更加平滑，降低開關(guān)頻率，從而減少開關(guān)管的發(fā)熱和損耗。短矢量有6個(gè)，例如(0,0,1)、(0,1,0)等，它們的幅值為\frac{U_{dc}}{\sqrt{3}}。短矢量在空間矢量圖中分布在六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)與原點(diǎn)之間的連線上，且靠近原點(diǎn)。短矢量在矢量合成中起著重要的過渡作用，能夠使合成矢量更加接近參考電壓矢量，同時(shí)也有助于改善輸出電壓的波形質(zhì)量，減少諧波含量。中矢量也有6個(gè)，如(0,1,2)、(1,2,0)等，其幅值為\frac{2U_{dc}}{\sqrt{3}}。中矢量分布在六邊形的六條邊上，在合成參考電壓矢量時(shí)，中矢量可以提供更大的幅值調(diào)節(jié)范圍，使合成矢量能夠更好地逼近參考電壓矢量，進(jìn)一步提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。長(zhǎng)矢量有4個(gè)，例如(0,2,2)、(2,0,2)等，幅值為\sqrt{3}U_{dc}，長(zhǎng)矢量位于六邊形的四個(gè)頂點(diǎn)上。長(zhǎng)矢量在電機(jī)需要較大轉(zhuǎn)矩或高速運(yùn)行時(shí)發(fā)揮重要作用，通過合理使用長(zhǎng)矢量，可以提高逆變器的輸出功率和電機(jī)的運(yùn)行效率。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使三電平逆變器輸出的電壓矢量能夠逼近圓形，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，通常采用最近三矢量法。該方法根據(jù)參考電壓矢量在空間矢量圖中的位置，選擇與之最接近的三個(gè)基本電壓矢量來合成參考電壓矢量。假設(shè)參考電壓矢量\vec{V}_{ref}位于某一區(qū)域內(nèi)，通過判斷其與周圍基本電壓矢量的距離和角度關(guān)系，確定三個(gè)合適的基本電壓矢量\vec{V}_1、\vec{V}_2、\vec{V}_3，然后根據(jù)伏秒平衡原則，即\vec{V}_{ref}T_s=\vec{V}_1T_1+\vec{V}_2T_2+\vec{V}_3T_3（其中T_1、T_2、T_3分別為三個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間，且T_1+T_2+T_3=T_s），計(jì)算出每個(gè)矢量的作用時(shí)間。通過這種方式，可以使合成的電壓矢量更加精確地跟蹤參考電壓矢量，從而提高電機(jī)的控制性能，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流諧波。4.2SVPWM算法實(shí)現(xiàn)步驟4.2.1參考電壓矢量合成原則參考電壓矢量的合成是SVPWM算法的核心環(huán)節(jié)，其合成原則基于電壓平均值等效原理，目的是通過合理組合基本電壓矢量，使合成后的電壓矢量能夠精確地跟蹤參考電壓矢量，從而為永磁同步電機(jī)提供高質(zhì)量的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，首先需要依據(jù)電機(jī)的運(yùn)行需求確定參考電壓矢量的幅值和角度。電機(jī)的運(yùn)行需求包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景而有所不同。在工業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)可能需要在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，以滿足不同的生產(chǎn)工藝要求；在電動(dòng)汽車中，電機(jī)需要根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，如加速、減速、爬坡等，提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行需求，可以通過矢量控制算法計(jì)算出所需的參考電壓矢量。以永磁同步電機(jī)的矢量控制為例，通過檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)，經(jīng)過坐標(biāo)變換和控制算法的運(yùn)算，可以得到在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電壓分量u_z3jilz61osys^{*}和交軸電壓分量u_{q}^{*}，再經(jīng)過Park逆變換和Clark逆變換，即可得到三相靜止坐標(biāo)系下的參考電壓矢量\vec{V}_{ref}。確定參考電壓矢量后，需要從NPC型三電平逆變器的19個(gè)基本電壓矢量中選擇合適的矢量進(jìn)行合成。這些基本電壓矢量具有不同的幅值和方向，通過合理組合它們，可以合成任意方向和大小的參考電壓矢量。在選擇基本電壓矢量時(shí)，通常采用最近三矢量法，即根據(jù)參考電壓矢量在空間矢量圖中的位置，選擇與之最接近的三個(gè)基本電壓矢量來合成參考電壓矢量。假設(shè)參考電壓矢量\vec{V}_{ref}位于某一區(qū)域內(nèi)，通過判斷其與周圍基本電壓矢量的距離和角度關(guān)系，確定三個(gè)合適的基本電壓矢量\vec{V}_1、\vec{V}_2、\vec{V}_3。根據(jù)伏秒平衡原則，在一個(gè)開關(guān)周期T_s內(nèi)，有\(zhòng)vec{V}_{ref}T_s=\vec{V}_1T_1+\vec{V}_2T_2+\vec{V}_3T_3，其中T_1、T_2、T_3分別為三個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間，且T_1+T_2+T_3=T_s。通過求解這個(gè)方程，可以計(jì)算出每個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)參考電壓矢量的合成。4.2.2區(qū)域判斷與矢量作用時(shí)間計(jì)算在SVPWM算法中，判斷參考電壓矢量所在扇區(qū)是合成參考電壓矢量的關(guān)鍵步驟之一。由于NPC型三電平逆變器的空間電壓矢量分布較為復(fù)雜，將整個(gè)空間矢量平面劃分為六個(gè)大扇區(qū)，每個(gè)大扇區(qū)的角度為60°。通常根據(jù)參考電壓矢量在α-β坐標(biāo)系下的分量與特定閾值的大小關(guān)系來判斷其所在扇區(qū)。以基于A相坐標(biāo)下的參考電壓矢量的角度判斷為例，假設(shè)參考電壓矢量\vec{V}_{ref}在α-β坐標(biāo)系下的輻角為\theta，扇區(qū)位置用S表示，通過公式S=\lceil\frac{\theta}{\frac{\pi}{3}}\rceil（其中\(zhòng)lceil\cdot\rceil為向上取整函數(shù)）可以確定參考電壓矢量所在的大扇區(qū)。例如，當(dāng)0\leq\theta\lt\frac{\pi}{3}時(shí)，S=1，表示參考電壓矢量位于第一扇區(qū)；當(dāng)\frac{\pi}{3}\leq\theta\lt\frac{2\pi}{3}時(shí)，S=2，表示參考電壓矢量位于第二扇區(qū)，以此類推。在確定大扇區(qū)后，還需要進(jìn)一步判斷參考電壓矢量在該扇區(qū)內(nèi)的具體位置，即小扇區(qū)判斷。傳統(tǒng)三電平SVPWM方法將每個(gè)大扇區(qū)分為6個(gè)小區(qū)域，分別用1,2,3,4,5,6表示區(qū)域號(hào)。通過將參考電壓矢量\vec{V}_{ref}在α軸和β軸上的投影分別設(shè)為V_{\alpha}和V_{\beta}，利用幾何知識(shí)和三角函數(shù)關(guān)系來判斷其所在小區(qū)域。當(dāng)\theta\leq30?°時(shí)，\vec{V}_{ref}在區(qū)域1或3或5內(nèi)。若V_{\beta}\leq\frac{\sqrt{3}}{3}V_{\alpha}，則\vec{V}_{ref}在區(qū)域1內(nèi)；若V_{\beta}\leq-\frac{\sqrt{3}}{3}V_{\alpha}，則\vec{V}_{ref}在區(qū)域5內(nèi)；否則\vec{V}_{ref}在區(qū)域3內(nèi)。當(dāng)\theta\geq30?°時(shí)，\vec{V}_{ref}在區(qū)域2或4或6內(nèi)。若V_{\beta}\leq\frac{\sqrt{3}}{3}V_{\alpha}，則\vec{V}_{ref}在區(qū)域2內(nèi)；若V_{\beta}\geq-\frac{\sqrt{3}}{3}V_{\alpha}，則\vec{V}_{ref}在區(qū)域6內(nèi)；否則\vec{V}_{ref}在區(qū)域4內(nèi)。確定參考電壓矢量所在的小區(qū)域后，即可根據(jù)最近三矢量法確定合成該參考電壓矢量的三個(gè)基本電壓矢量。假設(shè)所確定的三個(gè)基本電壓矢量為\vec{V}_1、\vec{V}_2、\vec{V}_3，根據(jù)伏秒平衡原則\vec{V}_{ref}T_s=\vec{V}_1T_1+\vec{V}_2T_2+\vec{V}_3T_3，在α-β坐標(biāo)系下將該等式展開為實(shí)部和虛部?jī)蓚€(gè)方程。設(shè)\vec{V}_{ref}=V_{\alpha}+jV_{\beta}，\vec{V}_1=V_{1\alpha}+jV_{1\beta}，\vec{V}_2=V_{2\alpha}+jV_{2\beta}，\vec{V}_3=V_{3\alpha}+jV_{3\beta}，則有：\begin{cases}V_{\alpha}T_s=V_{1\alpha}T_1+V_{2\alpha}T_2+V_{3\alpha}T_3\\V_{\beta}T_s=V_{1\beta}T_1+V_{2\beta}T_2+V_{3\beta}T_3\end{cases}同時(shí)，由于T_1+T_2+T_3=T_s，聯(lián)立這三個(gè)方程可以求解出T_1、T_2、T_3，即三個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間。在實(shí)際計(jì)算中，通常會(huì)對(duì)這些方程進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，以提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性。4.2.3基本矢量作用順序與PWM波生成確定基本矢量的作用時(shí)間后，需要合理安排它們的作用順序，以減少開關(guān)損耗并保證逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性。在SVPWM算法中，常用的基本矢量作用順序遵循以下原則：以短矢量為起始和結(jié)束矢量：在合成參考電壓矢量時(shí)，通常選擇較短的矢量作為起始和結(jié)束矢量。這是因?yàn)槎淌噶康姆递^小，開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)產(chǎn)生的電流變化相對(duì)較小，從而可以減少開關(guān)損耗。在第一扇區(qū)中，一般選擇負(fù)短矢量作為起始矢量，這樣可以使開關(guān)狀態(tài)的切換更加平滑，降低開關(guān)頻率，減少開關(guān)管的發(fā)熱和損耗。每次開關(guān)狀態(tài)變化只允許一相改變：為了降低開關(guān)損耗，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，應(yīng)盡量減少開關(guān)狀態(tài)的變化次數(shù)，且每次開關(guān)狀態(tài)的變化只允許一相的電路狀態(tài)發(fā)生改變。在七段式SVPWM調(diào)制方式中，按照一定的順序依次施加不同的電壓矢量，如\vec{V}_0-\vec{V}_1-\vec{V}_2-\vec{V}_7-\vec{V}_2-\vec{V}_1-\vec{V}_0，這種方式可以確保每次開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)只有一相的開關(guān)管動(dòng)作，從而減少開關(guān)損耗。開關(guān)矢量作用的對(duì)稱性：一個(gè)開關(guān)周期通常被分成七個(gè)開關(guān)矢量作用段，且每個(gè)開關(guān)矢量的作用是對(duì)稱的。這種對(duì)稱性可以使逆變器輸出電壓的諧波分布更加均勻，提高輸出電壓的質(zhì)量。根據(jù)上述原則確定基本矢量的作用順序后，即可根據(jù)各矢量的作用時(shí)間生成PWM波。在生成PWM波時(shí)，通常采用載波比較法。以七段式SVPWM為例，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，首先確定每個(gè)基本矢量的作用時(shí)間T_1、T_2、T_3，然后將開關(guān)周期T_s分為七個(gè)時(shí)間段，按照確定的基本矢量作用順序依次在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)施加相應(yīng)的基本電壓矢量。在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，通過比較參考電壓矢量與載波信號(hào)的大小關(guān)系來確定逆變器開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)參考電壓矢量大于載波信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)參考電壓矢量小于載波信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)管關(guān)斷。通過不斷地比較和切換開關(guān)管的狀態(tài)，就可以生成PWM波。假設(shè)載波信號(hào)為三角波，其幅值和頻率固定，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)基本矢量的作用時(shí)間和順序，將參考電壓矢量與三角波進(jìn)行比較。在\vec{V}_0作用時(shí)間段內(nèi)，參考電壓矢量為0，此時(shí)所有開關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)；在\vec{V}_1作用時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)參考電壓矢量與三角波的比較結(jié)果，確定相應(yīng)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)，從而產(chǎn)生PWM波的一部分；以此類推，在每個(gè)基本矢量作用時(shí)間段內(nèi)都進(jìn)行這樣的比較和切換，最終生成完整的PWM波。生成的PWM波用于控制NPC型三電平逆變器中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓的控制。通過精確控制PWM波的占空比和頻率，可以使逆變器輸出的電壓波形接近理想的正弦波，為永磁同步電機(jī)提供高質(zhì)量的電源，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流諧波。4.3NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位均衡研究4.3.1中點(diǎn)電位不均衡原因分析NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位不均衡是一個(gè)復(fù)雜的問題，其產(chǎn)生原因主要包括內(nèi)部因素和外部因素兩個(gè)方面。內(nèi)部因素方面，電容參數(shù)差異是導(dǎo)致中點(diǎn)電位不均衡的重要原因之一。在實(shí)際應(yīng)用中，NPC型三電平逆變器直流側(cè)的兩個(gè)分壓電容C_1和C_2，由于制造工藝、材料特性等因素的影響，其電容值很難做到完全一致。即使在初始狀態(tài)下電容值相同，但隨著使用時(shí)間的增加，電容的老化程度不同，也會(huì)導(dǎo)致電容值出現(xiàn)差異。假設(shè)C_1和C_2的電容值分別為C_{10}和C_{20}，在充電過程中，根據(jù)電容的充電公式Q=CU（其中Q為電荷量，C為電容，U為電壓），當(dāng)直流母線電壓U_{dc}一定時(shí)，電容值較小的電容儲(chǔ)存的電荷量較少，其兩端的電壓會(huì)相對(duì)較高，從而導(dǎo)致中點(diǎn)電位發(fā)生偏移。開關(guān)器件的不一致性也是中點(diǎn)電位不均衡的一個(gè)關(guān)鍵因素。逆變器中的開關(guān)管，如IGBT等，其導(dǎo)通電阻、關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)存在一定的離散性。在實(shí)際運(yùn)行中，不同相橋臂的開關(guān)管參數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致各相橋臂的損耗不同，進(jìn)而影響中點(diǎn)電位。假設(shè)某相橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通電阻較大，在相同的電流條件下，該相橋臂的功率損耗會(huì)增加，導(dǎo)致該相橋臂對(duì)應(yīng)的電容充電或放電速度發(fā)生變化，從而引起中點(diǎn)電位的偏移。外部因素方面，負(fù)載的不對(duì)稱性是導(dǎo)致中點(diǎn)電位不均衡的常見原因。在實(shí)際應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)的負(fù)載可能會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的情況，如電機(jī)的三相繞組電阻、電感不相等，或者電機(jī)所帶負(fù)載在三相上分布不均勻。當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，三相電流的大小和相位會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致各相橋臂的工作狀態(tài)不同，從而使中點(diǎn)電位出現(xiàn)偏移。若電機(jī)的A相繞組電阻比B相和C相大，在相同的電壓下，A相電流會(huì)相對(duì)較小，而B相和C相電流較大，這會(huì)導(dǎo)致與A相橋臂相連的電容充放電情況與其他兩相不同，進(jìn)而引起中點(diǎn)電位的不均衡。調(diào)制策略的影響也不容忽視。不同的調(diào)制策略對(duì)中點(diǎn)電位的影響不同。在SVPWM調(diào)制策略中，雖然通過合理選擇基本電壓矢量和作用時(shí)間可以合成參考電壓矢量，但在某些情況下，會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電位的波動(dòng)。在矢量合成過程中，選擇的基本電壓矢量組合可能會(huì)使某些相橋臂的開關(guān)狀態(tài)切換過于頻繁，從而引起中點(diǎn)電位的不穩(wěn)定。當(dāng)參考電壓矢量位于空間矢量圖的邊界區(qū)域時(shí)，為了合成該參考電壓矢量，可能需要頻繁切換一些基本電壓矢量，這會(huì)增加中點(diǎn)電位的波動(dòng)。4.3.2中點(diǎn)電位不平衡危害中點(diǎn)電位不平衡會(huì)對(duì)NPC型三電平逆變器及永磁同步電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生多方面的負(fù)面影響。在逆變器輸出波形方面，中點(diǎn)電位不平衡會(huì)導(dǎo)致輸出電壓波形發(fā)生畸變。由于中點(diǎn)電位的偏移，逆變器輸出的三相電壓不再對(duì)稱，其中會(huì)包含額外的諧波成分。這些諧波成分會(huì)使輸出電壓波形偏離理想的正弦波，影響電能質(zhì)量。諧波的存在會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的鐵耗和銅耗增加，使電機(jī)發(fā)熱加劇，降低電機(jī)的效率和使用壽命。諧波還可能引發(fā)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。對(duì)于電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，中點(diǎn)電位不平衡會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與三相電流和磁鏈密切相關(guān)，當(dāng)輸出電壓波形畸變時(shí)，三相電流也會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的增大會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，影響電機(jī)的運(yùn)行精度。在一些對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，如精密機(jī)床的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大可能會(huì)導(dǎo)致加工精度下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量。中點(diǎn)電位不平衡還會(huì)對(duì)功率器件的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。當(dāng)中點(diǎn)電位不平衡時(shí)，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化。某些開關(guān)管可能會(huì)承受過高的電壓，超過其額定電壓，從而加速開關(guān)管的老化和損壞。過高的電壓應(yīng)力還可能導(dǎo)致開關(guān)管的擊穿，使逆變器發(fā)生故障。開關(guān)管的頻繁開關(guān)動(dòng)作也會(huì)增加其開關(guān)損耗，進(jìn)一步縮短開關(guān)管的使用壽命。在工業(yè)生產(chǎn)中，逆變器的故障會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。4.3.3中點(diǎn)電位控制策略為了解決NPC型三電平逆變器中點(diǎn)電位不平衡的問題，學(xué)者們提出了多種中點(diǎn)電位控制策略，主要包括基于載波的調(diào)制策略和基于空間矢量的調(diào)制策略等?；谳d波的調(diào)制策略中，常用的是平衡載波脈寬調(diào)制（DPWM）。DPWM方法通過使三相輸出電壓的平均值等于中點(diǎn)電位，來實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡。該策略的優(yōu)點(diǎn)是算法相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。它通過對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行特定的處理，使逆變器各相橋臂的開關(guān)狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)保持一定的對(duì)稱性，從而減少中點(diǎn)電位的波動(dòng)。在DPWM策略中，可以通過調(diào)整載波的相位和幅值，來控制逆變器的輸出電壓和中點(diǎn)電位。DPWM策略在低速和輕載情況下，中點(diǎn)電位平衡效果較好。然而，在高速和重載情況下，由于負(fù)載電流的變化較大，DPWM策略的中點(diǎn)電位平衡能力會(huì)受到一定限制，可能無法有效抑制中點(diǎn)電位的偏移?；诳臻g矢量的調(diào)制策略，如空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的中點(diǎn)電位控制方法，通過合理選擇和組合空間電壓矢量來控制中點(diǎn)電位。在SVPWM調(diào)制中，根據(jù)參考電壓矢量的位置，選擇合適的基本電壓矢量進(jìn)行合成。對(duì)于中點(diǎn)電位的控制，可以通過選擇具有不同中點(diǎn)電流方向的冗余矢量來實(shí)現(xiàn)。在合成參考電壓矢量時(shí)，優(yōu)先選擇能夠使中點(diǎn)電流流入或流出中點(diǎn)，從而調(diào)整中點(diǎn)電位的冗余矢量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直流電壓利用率高，輸出波形質(zhì)量好，能夠在較寬的工況范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位的平衡控制。SVPWM策略在高速和重載情況下，仍能較好地保持中點(diǎn)電位的穩(wěn)定。但是，該方法的計(jì)算量相對(duì)較大，需要實(shí)時(shí)計(jì)算參考電壓矢量所在的扇區(qū)和各基本電壓矢量的作用時(shí)間，對(duì)控制器的運(yùn)算能力要求較高。除了上述兩種常見的策略外，還有一些其他的中點(diǎn)電位控制方法，如基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的中點(diǎn)電位控制策略。該策略通過建立逆變器和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)不同開關(guān)狀態(tài)下中點(diǎn)電位的變化趨勢(shì)，然后選擇使中點(diǎn)電位最接近平衡狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)?；贛PC的方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速應(yīng)對(duì)負(fù)載變化和參數(shù)波動(dòng)對(duì)中點(diǎn)電位的影響。但是，該方法的模型建立較為復(fù)雜，且對(duì)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性要求較高，模型參數(shù)的誤差可能會(huì)影響控制效果。五、基于NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真5.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案基于NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)主要由永磁同步電機(jī)、NPC型三電平逆變器、控制器、傳感器以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路等部分組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。永磁同步電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為負(fù)載提供動(dòng)力。其運(yùn)行特性直接影響系統(tǒng)的性能，因此需要精確控制。NPC型三電平逆變器是連接電源與永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用是將直流電源轉(zhuǎn)換為三相交流電源，為永磁同步電機(jī)提供可變頻率和幅值的電壓。相較于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，NPC型三電平逆變器具有輸出諧波含量低、開關(guān)管電壓應(yīng)力小、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性?？刂破魇钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)矢量控制算法和SVPWM調(diào)制算法。它通過采集傳感器傳來的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)子位置等信號(hào)，經(jīng)過矢量控制算法的運(yùn)算，得到直軸電流i_z3jilz61osys和交軸電流i_{q}的給定值。然后，根據(jù)給定值與實(shí)際值的偏差，通過PI控制器計(jì)算出dq坐標(biāo)系下的電壓給定值u_z3jilz61osys^{*}和u_{q}^{*}。再將u_z3jilz61osys^{*}和u_{q}^{*}經(jīng)過Park逆變換和Clark逆變換，轉(zhuǎn)換為三相靜止坐標(biāo)系下的電壓指令u_{a}^{*}、u_^{*}、u_{c}^{*}。最后，利用SVPWM調(diào)制算法，根據(jù)u_{a}^{*}、u_^{*}、u_{c}^{*}生成逆變器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制逆變器的輸出電壓和頻率。傳感器包括電流傳感器、速度傳感器和位置傳感器。電流傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)永磁同步電機(jī)的三相定子電流，為矢量控制算法提供電流反饋信號(hào)。速度傳感器（如編碼器）用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為速度環(huán)的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。位置傳感器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，為坐標(biāo)變換和磁場(chǎng)定向提供位置信息。驅(qū)動(dòng)電路用于將控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大和隔離，以驅(qū)動(dòng)NPC型三電平逆變器中的開關(guān)管。保護(hù)電路則用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過流、過壓、過熱等保護(hù)，確保系統(tǒng)在各種工況下的安全運(yùn)行。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，控制器不斷采集電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息，根據(jù)矢量控制策略和SVPWM調(diào)制算法，實(shí)時(shí)調(diào)整逆變器的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的精確控制。當(dāng)電機(jī)需要調(diào)速時(shí)，控制器根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速指令，通過矢量控制算法調(diào)整i_z3jilz61osys和i_{q}的給定值，進(jìn)而改變逆變器的輸出電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。在電機(jī)啟動(dòng)、負(fù)載突變等動(dòng)態(tài)過程中，控制器能夠快速響應(yīng)，通過調(diào)整控制策略，保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流諧波。5.2仿真模型搭建利用Matlab/Simulink軟件搭建基于NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，該模型主要由永磁同步電機(jī)模塊、NPC型三電平逆變器模塊、矢量控制模塊和SVPWM模塊等組成，如圖6所示。永磁同步電機(jī)模塊采用SimPowerSystems庫中的PermanentMagnetSynchronousMachine模塊，該模塊能夠準(zhǔn)確模擬永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性。在模塊參數(shù)設(shè)置中，根據(jù)實(shí)際電機(jī)參數(shù)進(jìn)行配置，包括定子電阻、定子電感、永磁體磁鏈、極對(duì)數(shù)等。設(shè)置定子電阻為0.8Ω，定子電感為0.015H，永磁體磁鏈為0.175Wb，極對(duì)數(shù)為4。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置對(duì)于仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它們直接影響電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)。NPC型三電平逆變器模塊同樣使用SimPowerSystems庫中的相關(guān)模塊搭建。該模塊實(shí)現(xiàn)了將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓的功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與前文所述一致。在模塊中，需要設(shè)置直流母線電壓、開關(guān)頻率等參數(shù)。設(shè)置直流母線電壓為500V，開關(guān)頻率為10kHz。較高的開關(guān)頻率可以使逆變器輸出的電壓波形更加接近正弦波，減少諧波含量，但同時(shí)也會(huì)增加開關(guān)損耗，因此需要在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體需求進(jìn)行權(quán)衡。矢量控制模塊是整個(gè)仿真模型的核心部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)矢量控制算法。該模塊主要包括坐標(biāo)變換、PI控制器和電流解耦等子模塊。坐標(biāo)變換模塊實(shí)現(xiàn)了Clark變換和Park變換，將三相靜止坐標(biāo)系下的電流、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，為后續(xù)的控制提供基礎(chǔ)。PI控制器用于調(diào)節(jié)直軸電流i_z3jilz61osys和交軸電流i_{q}，使其跟蹤給定值。在PI控制器參數(shù)整定過程中，采用試湊法結(jié)合Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行調(diào)整，以獲得良好的控制性能。設(shè)置速度環(huán)PI控制器的比例系數(shù)K_{p1}=10，積分系數(shù)K_{i1}=0.5；電流環(huán)PI控制器的比例系數(shù)K_{p2}=15，積分系數(shù)K_{i2}=50。電流解耦子模塊用于消除i_z3jilz61osys和i_{q}之間的耦合影響，提高控制的精度和穩(wěn)定性。SVPWM模塊用于生成逆變器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該模塊根據(jù)矢量控制模塊輸出的三相電壓指令，通過SVPWM算法計(jì)算出各個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而生成PWM波。在SVPWM模塊中，實(shí)現(xiàn)了參考電壓矢量合成、區(qū)域判斷、矢量作用時(shí)間計(jì)算以及基本矢量作用順序安排等功能。該模塊的參數(shù)設(shè)置與逆變器的開關(guān)頻率相關(guān)，確保生成的PWM波能夠準(zhǔn)確控制逆變器的輸出。為了模擬實(shí)際運(yùn)行情況，還在仿真模型中添加了負(fù)載模塊，采用RLC負(fù)載模擬永磁同步電機(jī)所帶的實(shí)際負(fù)載。設(shè)置負(fù)載電阻為10Ω，電感為0.05H，電容為100μF。同時(shí)，添加了測(cè)量模塊，用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流等運(yùn)行參數(shù)，以便對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。通過合理搭建各個(gè)模塊，并準(zhǔn)確設(shè)置參數(shù)，能夠構(gòu)建出一個(gè)準(zhǔn)確、可靠的基于NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，為后續(xù)的仿真分析提供基礎(chǔ)。5.3仿真結(jié)果與分析為了驗(yàn)證基于NPC型三電平逆變器的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的性能，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)置仿真時(shí)間為0.5s，電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為0，給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，在0.2s時(shí)突加負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從0增加到10N?m。電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖7所示。從圖中可以看出，在啟動(dòng)階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠快速跟蹤給定轉(zhuǎn)速，超調(diào)量較小，約為5%。在0.2s突加負(fù)載后，轉(zhuǎn)速雖然有短暫下降，但很快恢復(fù)到給定轉(zhuǎn)速，表明系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和抗干擾能力。這是因?yàn)槭噶靠刂撇呗酝ㄟ^對(duì)直軸電流i_z3jilz61osys和交軸電流i_{q}的獨(dú)立控制，能夠快速調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)負(fù)載的變化。當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差迅速增大交軸電流i_{q}，從而增加電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠克服負(fù)載阻力，保持穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖8所示。在啟動(dòng)瞬間，電磁轉(zhuǎn)矩迅速上升，達(dá)到一個(gè)較大的值，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速啟動(dòng)。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，電磁轉(zhuǎn)矩能夠保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，以維持電機(jī)