CN110474554B - 一种变流器并联结构的控制方法 - Google Patents

一种变流器并联结构的控制方法 Download PDF

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CN110474554B CN201810450861.8A CN201810450861A CN110474554B CN 110474554 B CN110474554 B CN 110474554B CN 201810450861 A CN201810450861 A CN 201810450861A CN 110474554 B CN110474554 B CN 110474554B
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Abstract

本发明提出了一种变流器并联结构的控制方法，变流器并联结构包括并联设置的第一变流器和第二变流器，该方法包括：分别采集变流器并联结构中第一变流器和第二变流器的输出电流，计算第一变流器和第二变流器的输出电流的电流平均值；将电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压；根据占空比调制电压分别计算第一变流器和第二变流器中各个晶体管的工作时间，并根据得到的各个晶体管的工作时间对第一变流器和第二变流器的工作状态进行控制。本发明拓扑结构采用变流器直接并联，结构简单，无需变压器，系统成本低，基于该并联结构的控制方法，能快速响应调整电压，提高能源利用率。

Description

一种变流器并联结构的控制方法
技术领域
本发明涉及变流器控制技术领域，尤其涉及一种变流器并联结构的控制方法。
背景技术
电磁弹射器是一种利用电磁推力使飞行物体进行可控加速的发射装置，电磁弹射系统的变流器通过向弹射直线电机提供不同频率和电压的交流电实现电机的直线运动。按照目前的弹射需求，对于变流器而言，要求具有较大的功率和较高的频率输出能力。常规变流器技术很难满足电磁弹射大功率和高频率输出的需求。
目前在大功率高压变流器控制领域，提高变流器容量的方法主要有两种：一是器件并联，二是变流器模块并联。其中，器件并联的关键问题是负载电流在并联的开关器件上的平均分配，需要器件开关特性和通态电阻特性的一致性，由于器件特性一致性很难保证，因此器件并联很难实现；变流器模块并联的关键问题是处理好负载电流的平均分配，消除并联变流器间的环流问题，有助于模块化设计，相对于器件并联变流器并联更易实现，又可以实现系统冗余，提高了系统的可靠性。大容量变流器并联方式有隔离并联和直接并联，隔离并联是采用隔离变压器，系统体积、重量、成本都大大增加。直接并联结构简单，需要处理好负载均衡和环流问题。
控制方法上有主从控制与和变流器间通信控制策略来均衡负载，但是需要多余通信总线，不利于模块化设计；还有控制方法提出按照给定电流对每个变流器的电流进行单独控制，控制器比较多，控制周期高，计算量大，响应比较慢。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种变流器并联结构的控制方法，拓扑结构采用变流器直接并联，结构简单，无需变压器，系统成本低，基于该并联结构的控制方法，能快速响应调整电压，提高能源利用率。
本发明实施例提供了一种变流器并联结构的控制方法，所述变流器并联结构包括并联设置的第一变流器和第二变流器，所述方法包括：
分别采集变流器并联结构中第一变流器和第二变流器的输出电流，计算第一变流器和第二变流器的输出电流的电流平均值；
将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值；
根据所述控制电压值确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压；
根据所述占空比调制电压利用空间矢量调节算法分别计算所述第一变流器和第二变流器中各个晶体管的工作时间，并根据得到的各个晶体管的工作时间对所述第一变流器和第二变流器的工作状态进行控制。
可选地，所述分别采集变流器并联结构中第一变流器和第二变流器的输出电流，计算第一变流器和第二变流器的输出电流的电流平均值，包括：
采集第一变流器的输出电流ia1、ib1、ic1和第二变流器的输出电流ia2、ib2、ic2，并计算第一变流器和第二变流器的电流平均值
Figure BDA0001658420020000021
对所述电流平均值进行CLARK变换，得到电流
Figure BDA0001658420020000022
将得到的电流
Figure BDA0001658420020000023
进行PARK变换，得到电流
Figure BDA0001658420020000024
可选地，所述电流参考值包括第一电流参考输入值iqref和第二电流参考输入值idref；
所述将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值，具体包括：
将第一电流参考输入值iqref与所述PARK变换后得到的
Figure BDA0001658420020000031
进行比较，得到对应的第一电流差值，根据所述第一电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压uq；
将第二电流参考输入值idref与所述PARK变换后得到的
Figure BDA0001658420020000032
进行比较，得到对应的第二电流差值，根据所述第二电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压ud；
可选地，所述根据所述控制电压值确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压，包括：
对所述uq和ud进行PARK逆变换，得到电压uα、uβ；
将得到的电压uα、uβ进行CLARK逆变换，得到占空比调制电压ua、ub、uc。
可选地，所述方法还包括：
监测所述第二变流器的零轴电流分量i0；
根据所述零轴电流分量i0与预设的零轴电流分量给定值iz的差值计算控制参数，将所述控制参数作为第二变流器的占空比补偿参数；
根据所述占空比补偿参数对所述第二变流器中各个晶体管的工作时间进行补偿控制。
可选地，在所述将所述电流平均值与电流参考值进行比较之前，所述方法还包括：
检测电机的位置信息；
根据所述位置信息计算出所述电机的电机速度nfeed；
根据所述电机速度nfeed与预设的速度参考值确定所述电流参考值。
本发明实施例提供的变流器并联结构的控制方法，采用变流器直接并联，结构简单，无需变压器，系统成本低；基于该变流器结构的控制方法采用环流控制算法，通过对各变流器输出电流电压进行统一均衡控制，直接调整电压，所控制的变流器占空比进行微调，对于开关频率比较低的大功率控制系统，更能快速响应调整电压，从而提高能源利用率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的一种变流器并联结构的控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种变流器并联结构的控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中电磁弹射用大容量变流器并联拓扑结构的电路原理图；
图4为本发明实施例中变流器功率最小模块的电路原理图；
图5为本发明实施例中RLC滤波器的电路图；
图6为本发明实施例中环流控制器的实现原理图；
图7为本发明实施例中三电平空间矢量向量图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
图1示意性示出了本发明一个实施例的变流器并联结构的控制系统的结构示意图。参照图1，本发明实施例的变流器并联结构的控制系统具体包括反馈电流处理模块10、电流控制器20、电压处理模块30、空间矢量脉宽调制模块40和变流器并联结构50，所述变流器并联结构50包括并联设置的第一变流器501和第二变流器502；
反馈电流处理模块10，用于分别采集变流器并联结构50中第一变流器501和第二变流器502的输出电流，计算第一变流器501和第二变流器502的输出电流的电流平均值；
电流控制器20，用于将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值；
电压处理模块30，用于根据所述控制电压值确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压；
空间矢量脉宽调制模块40，用于根据所述占空比调制电压利用空间矢量调节算法分别计算所述第一变流器501和第二变流器502中各个晶体管的工作时间，并根据得到的各个晶体管的工作时间对所述第一变流器501和第二变流器502的工作状态进行控制。
在本发明实施例中，所述反馈电流处理模块10，包括平均值控制器、CLARK变换单元和PARK变换单元，其中：
平均值控制器，用于采集第一变流器的输出电流ia1、ib1、ic1和第二变流器的输出电流ia2、ib2、ic2，并计算第一变流器和第二变流器的电流平均值
Figure BDA0001658420020000061
Figure BDA0001658420020000062
CLARK变换单元，用于对电流平均值进行CLARK变换，得到电流
Figure BDA0001658420020000063
PARK变换单元，用于将得到的电流
Figure BDA0001658420020000064
进行PARK变换，得到电流
Figure BDA0001658420020000065
Figure BDA0001658420020000066
在本发明实施例中，所述电流参考值包括第一电流参考输入值iqref和第二电流参考输入值idref。
进一步地，所述电流控制器20，具体用于将第一电流参考输入值iqref与所述PARK变换后得到的
Figure BDA0001658420020000067
进行比较，得到对应的第一电流差值，根据所述第一电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压uq；将第二电流参考输入值idref与所述PARK变换后得到的
Figure BDA0001658420020000068
进行比较，得到对应的第二电流差值，根据所述第二电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压ud；
进一步地，所述电压处理模块30，包括PARK逆变换单元和CLARK逆变换单元，其中：
PARK逆变换单元，用于对所述uq和ud进行PARK逆变换，得到电压uα、uβ；
CLARK逆变换单元，用于将得到的电压uα、uβ进行CLARK逆变换，得到占空比调制电压ua、ub、uc。
本发明实施例中，所述系统还包括位置传感器60、计算模块70和速度控制器80，其中：
位置传感器60，用于在所述反馈电流处理模块将所述电流平均值与电流参考值进行比较之前，检测电机的位置信息；
计算模块70，用于根据所述位置信息计算出所述电机的电机速度nfeed；
速度控制器80，用于根据所述电机速度nfeed与预设的速度参考值确定所述电流参考值。
在本发明的一个可选实施例中，所述系统还包括环流控制器90：
环流控制器90，用于监测所述第二变流器的零轴电流分量i0；根据所述零轴电流分量i0与预设的零轴电流分量给定值iz的差值计算控制参数，将所述控制参数作为第二变流器的占空比补偿参数；根据所述占空比补偿参数对所述第二变流器中各个晶体管的工作时间进行补偿控制。
本发明实施例提供的变流器并联结构的控制系统，采用变流器直接并联，结构简单，无需变压器，系统成本低；基于该变流器结构的控制方法采用环流控制算法，通过对各变流器输出电流电压进行统一均衡控制，直接调整电压，所控制的变流器占空比进行微调，对于开关频率比较低的大功率控制系统，更能快速响应调整电压，从而提高能源利用率。
图2示意性示出了本发明实施例的一种变流器并联结构的控制方法的流程示意图。本发明实施例中，变流器并联结构包括并联设置的第一变流器和第二变流器，参照图2，本发明实施例提供的变流器并联结构的控制方法，具体包括以下步骤：
S11、分别采集变流器并联结构中第一变流器和第二变流器的输出电流，计算第一变流器和第二变流器的输出电流的电流平均值。
在实际应用中，电磁弹射用大容量变流器结构由功率驱动模块、变流控制模块、保护开关电路、滤波电路及机柜等部分组成。由于变流器与电机绕组距离较长，为了防止脉宽调制波(PWM)在电缆网上的发射从而烧毁变流器和电机绕组端部，在变流器和电机绕组之间加装了du/dt抑制滤波器。滤波器由RLC电路组成，电磁弹射用大容量变流器并联拓扑结构的电路如图3所示。
为了确保结构简单，系统成本低，本实施例中，功率驱动模块由两个变流器模块组成，构成变流器并联结构，每个变流器采用NPC(二极管钳位)多电平变流拓扑的全桥功率单元作为变流器模块的最小单元，每个单元采用IGBT器件并联方式，变流器功率最小模块实现电路如图4所示。
S12、将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值。
本实施例中，在将所述电流平均值与电流参考值进行比较之前，首先需要根据电机的实时位置信息确定出适当的电流参考值。具体实现如下:实时检测电机的位置信息；根据所述位置信息计算出所述电机的电机速度nfeed；根据所述电机速度nfeed与预设的速度参考值确定所述电流参考值。
S13、根据所述控制电压值确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压；
S14、根据所述占空比调制电压利用空间矢量调节算法分别计算所述第一变流器和第二变流器中各个晶体管的工作时间，并根据得到的各个晶体管的工作时间对所述第一变流器和第二变流器的工作状态进行控制。
本实施例中，变流器并联结构的控制方法是基于三电平矢量控制，利用空间矢量调节算法实现，针对并联系统的环流问题，给出的一种基于动态调整SVPWM零矢量作用时间的新型环流控制策略。其中，三电平矢量控制是一个基于SVPWM的电流内环、转速外环的双闭环系统。由转子位置传感器、速度调节器、电流调节器、SVPWM调制模块和IGBT变流器组成。三电平矢量控制中可控三电平空间矢量有19个，对于给定参考电压用三个基本电压矢量组成，分别对三个参考电压的作用时间进行解算。
在实际应用中，可以产生环流的直接原因就是两个变流器三相桥臂占空比的零轴分量不一致。通过控制三相桥臂占空比的零轴分量控制环流。若对一个变流器进行环流控制，则另一个变流器环流自动变为0。采集并联变流器输出端的电流，将取得反馈的电流平均值与速度环输出的给定电流输入给电流控制器，得到平均调制电压，经过SVPWM空间矢量调制算法计算出各开关的作用时间，将结果同时输出给两并联IGBT变流器进行控制。
本发明实施例提供的变流器并联结构的控制方法，采用变流器直接并联，结构简单，无需变压器，系统成本低；基于该变流器结构的控制方法采用环流控制算法，通过对各变流器输出电流电压进行统一均衡控制，直接调整电压，所控制的变流器占空比进行微调，对于开关频率比较低的大功率控制系统，更能快速响应调整电压，从而提高能源利用率。
在本发明实施例中，所述分别采集变流器并联结构中第一变流器和第二变流器的输出电流，计算第一变流器和第二变流器的输出电流的电流平均值，具体通过以下步骤实现，包括：
采集第一变流器的输出电流ia1、ib1、ic1和第二变流器的输出电流ia2、ib2、ic2，并计算第一变流器和第二变流器的电流平均值
Figure BDA0001658420020000091
对所述电流平均值进行CLARK变换，得到电流
Figure BDA0001658420020000092
将得到的电流
Figure BDA0001658420020000093
进行PARK变换，得到电流
Figure BDA0001658420020000094
其中，所述电流参考值包括第一电流参考输入值iqref和第二电流参考输入值idref。
进一步地，所述将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值，具体包括：
将第一电流参考输入值iqref与所述PARK变换后得到的
Figure BDA0001658420020000095
进行比较，得到对应的第一电流差值，根据所述第一电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压uq；
将第二电流参考输入值idref与所述PARK变换后得到的
Figure BDA0001658420020000101
进行比较，得到对应的第二电流差值，根据所述第二电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压ud；
进一步地，所述根据所述控制电压值确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压，具体包括：
对所述uq和ud进行PARK逆变换，得到电压uα、uβ；
将得到的电压uα、uβ进行CLARK逆变换，得到占空比调制电压ua、ub、uc。
在本发明的一个可选实施例中，所述方法还包括以下步骤：
监测所述第二变流器的零轴电流分量i0；
根据所述零轴电流分量i0与预设的零轴电流分量给定值iz的差值计算控制参数，将所述控制参数作为第二变流器的占空比补偿参数；
根据所述占空比补偿参数对所述第二变流器中各个晶体管的工作时间进行补偿控制。
下面通过一个具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
本实施例中变流器并联结构采用变流器直接并联，结构简单，无需变压器，系统成本低。变流器最小功率单元采用NPC(二极管钳位)多电平全桥功率单元。
变流器最小功率单元模块示意图如图4所示，功率器件选用IGBT产品实现，每个桥臂器件都采用两个器件并联，整个变流器系统采用两个最小功率单元模块并联，满足电机的供电要求。
为了防止脉宽调制波(PWM)在电缆网上的发射从而烧毁变流器和电机绕组端部，在变流器和电机绕组之间加装了du/dt抑制滤波器。滤波器由RLC电路组成，如图5所示。
变流器并联新型环流控制算法是基于三电平矢量控制，针对并联系统的环流问题，给出了一种基于动态调整SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)零矢量作用时间的新型环流控制策略。
所述三电平矢量控制算法是一个基于SVPWM的电流内环、转速外环的双闭环系统。由转子位置传感器、速度控制器、电流控制器、SVPWM调制模块和IGBT变流器组成。
整个控制系统框图如图1所示，所述环流控制策略的具体实施原理如下：
位置传感器检测到电机位置，根据位置信息解算出速度值，和控制输入的给定速度相比较，通过速度控制器计算得到电流参考输入值iqref。
采集1、2号并联变流器输出端的电流ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2，求出反馈的电流平均值
Figure BDA0001658420020000111
经过CLARK变换得到
Figure BDA0001658420020000112
经过PARK逆变换得到
Figure BDA0001658420020000113
与给定电流iqref和idref＝0输入给电流控制器，计算出结果经过再经过PARK变换得到uα、uβ，经过CLARK变换计算得到ua、ub、uc，最终将平均调制占空比调制电压，经过SVPWM空间矢量调制算法计算出各开关的作用时间。输出结果对两并联变流器进行控制。
系统内环流i0＝i10＝-i20，只需对第二变流器进行环流控制，则第一变流器环流自动变为0。
对第二变流器进行环流控制，最终控制三相桥臂占空比的零轴分量。
第二变流器采用环流控制器对调制占空比进行补偿，环流控制器的实现原理如图6所示，采集第二变流器的电流ia2、ib2、ic2，监测到零轴电流分量i0与零轴电流分量给定值iz＝0作差经过PI调节器获得一个在(0,1)间变化的k(定义见下文)输入到SVPWM算法作为占空比补偿，输出给第二变流器开关管进行补偿控制。
三电平空间矢量向量图如图7所示，三电平矢量控制中可控三电平空间矢量有19个，对于给定参考电压用三个基本电压矢量组成，分别对三个参考电压的作用时间进行解算。
以扇区I内空间矢量调制PWM占空比关系为例，矢量由V0、V1、V14构成，
Figure BDA0001658420020000121
d0、d1、d2表示电压矢量V0、V1和V14的占空比。
da、db、dc表示电压矢量ua、ub和uc的占空比。
ppp表示三相上桥臂开关全部导通，000表示三相下桥臂开关全部导通。d0是零矢量PPP(111)和nnn(000)的占空比之和。
dz为桥臂占空比的零轴分量，运用abc/dqO坐标变换矩阵，得到：
dz＝(da+db+dc)/3＝d1/3+2d2/3+d0/2
根据总的零矢量作用时间不变，不影响变流器dq轴电压和dq轴电流的情况下调整零矢量的作用时间。增加PPP作用时间可以增大环流i20，增加000作用时间可以减小环流i20。
定义k为零矢量PPP作用时间在整个零矢量作用时间中所占比例
Figure BDA0001658420020000122
则有:dz＝(da+db+dc)/3＝d1/3+2d2/3+kd0
本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种变流器并联结构的控制方法，其特征在于，所述变流器并联结构包括并联设置的第一变流器和第二变流器，所述方法包括：
分别采集变流器并联结构中第一变流器和第二变流器的输出电流，计算第一变流器和第二变流器的输出电流的电流平均值，包括：采集第一变流器的输出电流ia1、ib1、ic1和第二变流器的输出电流ia2、ib2、ic2，并计算第一变流器和第二变流器的电流平均值
Figure FDA0003626629370000011
对所述电流平均值进行CLARK变换，得到电流
Figure FDA0003626629370000012
将得到的电流
Figure FDA0003626629370000013
进行PARK变换，得到电流
Figure FDA0003626629370000014
将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值，控制电压值包括用于控制空间矢量脉宽调制模块的控制电压uq和ud；
根据所述控制电压值确定空间矢量脉宽调制模块的占空比调制电压，包括：对所述uq和ud进行PARK逆变换，得到电压uα、uβ，将得到的电压uα、uβ进行CLARK逆变换，得到占空比调制电压ua、ub、uc；
根据所述占空比调制电压利用空间矢量调节算法分别计算所述第一变流器和第二变流器中各个晶体管的工作时间，并根据得到的各个晶体管的工作时间对所述第一变流器和第二变流器的工作状态进行控制；
所述方法还包括：监测所述第二变流器的零轴电流分量i0；根据所述零轴电流分量i0与预设的零轴电流分量给定值iz的差值计算控制参数，将所述控制参数作为第二变流器的占空比补偿参数；根据所述占空比补偿参数对所述第二变流器中各个晶体管的工作时间进行补偿控制，具体的，对第二变流器进行补偿控制的实现方式为：采集第二变流器的电流ia2、ib2、ic2，监测到零轴电流分量i0与零轴电流分量给定值iz＝0作差，经过PI调节器获得一个在(0,1)间变化的k输入到SVPWM算法作为占空比补偿，输出给第二变流器的开关管进行补偿控制，其中，k为零矢量为PPP时的作用时间在整个零矢量作用时间中所占比例；
其中，在所述将所述电流平均值与电流参考值进行比较之前，所述方法还包括：
检测电机的位置信息；
根据所述位置信息计算出所述电机的电机速度nfeed；
根据所述电机速度nfeed与预设的速度参考值确定所述电流参考值。
2.根据权利要求1所述的变流器并联结构的控制方法，其特征在于，所述电流参考值包括第一电流参考输入值iqref和第二电流参考输入值idref；
所述将所述电流平均值与电流参考值进行比较，根据比较结果确定对应的控制电压值，具体包括：
将第一电流参考输入值iqref与所述PARK变换后得到的
Figure FDA0003626629370000021
进行比较，得到对应的第一电流差值，根据所述第一电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压uq；
将第二电流参考输入值idref与所述PARK变换后得到的
Figure FDA0003626629370000022
进行比较，得到对应的第二电流差值，根据所述第二电流差值计算用于控制所述空间矢量脉宽调制模块的控制电压ud。
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