CN116470794A - 用于永磁同步电机的控制方法和控制模块 - Google Patents
用于永磁同步电机的控制方法和控制模块 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于永磁同步电机的控制方法和控制模块。该控制方法包括以下步骤:获取电机转速、实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref的第一差值、以及实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差值;判断所述电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值;以及当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述直轴电压Ud,并且根据所述第二差值来调节所述交轴电压Uq。该控制方法能够考虑到电机转速来选择性地基于交轴电流iq或直轴电流id来调节交轴电压Uq和直轴电压Ud,从而使目标交轴电流iq和实际直轴电流id在任何电机转速下出现的波动均较小。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的扭矩控制领域,尤其涉及用于永磁同步电机的控制方法和控制模块。
背景技术
现有技术中电机功耗大、能效转换效率低。近年来,磁场定向控制(FieldOriented Control,FOC)变得越来越受欢迎,其原因在于实现该技术所需的成本已不再是一个限制因素。在现有技术FOC控制中,针对dq坐标系,直轴电流id和交轴电流iq以及直轴电压Ud和交轴电压Uq通常满足以下关系式(1)和(2):
Ud=Rs*id+Ld*p*id-ω*Lq*iq (1)
Uq=Rs*iq+Lq*p*iq+ω*Ld*id+ω*Φf (2)
其中,Ud表示直轴电压,Rs表示定子绕组的电阻值,id表示直轴电流,Ld表示直轴磁通量,p表示微分算子,表示转子的电角速度,Lq表示交轴磁通量,iq表示交轴电流,Uq表示交轴电压,Ld表示直轴磁通量,Φf表示永磁体产生的磁通量。
当电机处于稳态情况下时,积分比例算子p为0,因此上述表达式(1)和(2)可以分别表示为以下表达式(3)和(4):
Ud=Rs*id-ω*Lq*iq (3)
Uq=Rs*iq+ω*Ld*id+ω*Φf (4)
如果将表达式(3)和(4)进行转换,则可以转换成为以下表达式(5)和(6):
但是,当电机转速较高时,此时电机处于弱磁状态,而直轴电流id需要小于0,ωLq以及ωLd将远远大于定子绕组的电阻值Rs,因此上述表达式(5)和(6)则可以简化为以下表达式(7)和(8):
由此可见,当电机转速较高时,直轴电压Ud取决于交轴电流iq,而交轴电压Uq取决于直轴电流id。此时,如果仍然按照现有技术中根据交轴电流iq来调节交轴电压Uq并且根据直轴电流id来调节直轴电压Ud,则容易导致实际直轴电流id和实际交轴电流iq不能被直接调节进而使其波动,继而导致实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的偏差以及实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的偏差较大,从而造成电机不能输出稳定的扭矩。
发明内容
本发明的目的在于提供用于永磁同步电机的控制方法和控制模块,其能够考虑到电机转速对直轴电流id和交轴电流iq进行直接控制,使得实际直轴电流id和实际交轴电流iq在任何电机转速下的波动均较小,从而使实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的偏差以及实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的偏差较小,以便电机输出更加稳定的扭矩。
根据本发明的一个方面,提供了一种用于永磁同步电机的控制方法,包括以下步骤:获取电机转速、实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref的第一差值、以及实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差值;判断所述电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值;以及当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述直轴电压Ud,并且根据所述第二差值来调节所述交轴电压Uq。
根据本发明的优选实施例,在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述实际交轴电流iq与所述目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,则使所述直轴电压Ud减小;否则,使所述直轴电压Ud增大。
根据本发明的优选实施例,在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述实际直轴电流id与所述目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,则使所述交轴电压Uq增大;否则,使所述交轴电压Uq减小。
根据本发明的优选实施例,当所述电机转速小于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述交轴电压Uq,并且根据所述第二差值来调节所述直轴电压Ud。
根据本发明的优选实施例,在所述电机转速小于所述转速阈值时,如果所述实际交轴电流iq与所述目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,则使所述交轴电压Uq增大;否则,使所述交轴电压Uq减小。
根据本发明的优选实施例,在所述电机转速小于所述转速阈值时,如果所述实际直轴电流id与所述目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,则使所述直轴电压Ud增大;否则,使所述直轴电压Ud减小。
根据本发明的优选实施例,所述转速阈值为所述永磁同步电机中预设电阻和预设电感的比值的5倍。
根据本发明的另一个方面,提供了一种用于永磁同步电机的控制模块,其包括第一控制器模块和第二控制器模块,其中,所述第一控制器模块被配置为:获取电机转速以及实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref的第一差值;判断所述电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值;以及当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述直轴电压Ud,并且所述第二控制器模块被配置为:获取所述电机转速以及实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差值;判断所述电机转速是否大于或等于所述转速阈值;以及当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,所述第二差值来调节所述交轴电压Uq。
根据本发明的优选实施例,所述第一控制器模块被配置为:在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述第一差值小于0,则使所述直轴电压Ud减小;否则,使所述直轴电压Ud增大,并且所述第二控制器模块被配置为:在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述第二差值小于0,则使所述交轴电压Uq增大;否则,使所述交轴电压Uq减小。
根据本发明的优选实施例,所述第一控制器模块被配置为:当所述电机转速小于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述交轴电压Uq,并且所述第二控制器模块被配置为:根据所述第二差值来调节所述直轴电压Ud。
如上所述,根据本发明的控制方法和控制模块能够针对不同的电机转速,利用不同的参数分别对直轴电压Ud和交轴电压Uq进行直接控制,使得实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的偏差以及实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的偏差较小,以便电机输出更加稳定的扭矩。
附图说明
下面将通过参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1示出了基于FOC的控制系统的结构示意图;以及
图2示出了根据本发明的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例。
图1示出了基于FOC的控制系统的结构示意图。此控制系统尤其用于永磁同步电机。因此,下文出现的电机均以永磁同步电机为例。如图1所示,控制系统包括:电机、电机转速传感器模块、转子位置传感器模块、Clark(克莱克)变换模块、Park(派克)变换模块、第一反馈模块、第二反馈模块、第一控制器模块、第二控制器模块、Park逆变换模块以及Clark逆变换模块,其中第一控制器模块和第二控制器模块构成了根据本发明的控制模块10。
电机转速传感器模块的输入端连接到电机,而电机转速传感器模块的输出端分别连接到第一控制器模块和第二控制器模块。因此,电机转速传感器模块可以获取电机的电机转速,并将其输出给第一控制器模块和第二控制器模块。
转子位置传感器模块的输入端连接到电机,而转子位置传感器模块的输出端连接到Park变换模块和Park逆变换模块。因此,转子位置传感器模块可以获取电机的转子的角位置,并将其输出给Park变换模块和Park逆变换模块。
Clark变换模块的输入端连接到电机,可以获取电机的三相定子电流ia、ib、ic。三相定子电流ia、ib、ic以定子为参照物的自然坐标系为基础,其根据基尔霍夫电流定律满足以下关系式:
ia+ib+ic=0;
接着,Clark变换模块可以根据以下关系式将自然坐标系下的三相定子电流ia、ib、ic转换为相对于电机的定子静止的αβ坐标系下的电流分量iα和iβ:
iα=ia;
Clark变换模块的输出端连接到Park变换模块的输入端,由此Park变换模块可以基于从转子位置传感器模块接收的转子的位置角度θ,并且根据以下关系式将αβ坐标系下的电流分量iα和iβ变换为相对于定子旋转但相对于转子静止的dq坐标系下的实际直轴电流id和实际交轴电流iq:
id=iαcosθ+iβsinθ;
iq=iαsinθ+iβcosθ。
Park变换模块的输出端分别连接到第一反馈模块和第二反馈模块,使得分别将实际交轴电流iq和实际直轴电流id输出给第一反馈模块和第二反馈模块。
同时,第一反馈模块的输入端还连接外部输入,以获取预先设定的目标交轴电流iq_Ref,由此第一反馈模块可以将实际交轴电流iq和目标交轴电流iq_Ref进行比较,并且能够计算实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值。
同样地,第二反馈模块的输入端也连接外部输入,以获取预先设定的目标直轴电流id_Ref,由此第二反馈模块可以将实际直轴电流id和目标直轴电流id_Ref进行比较,并且能够计算实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值。
第一控制器模块和第二控制器模块分别连接到电机转速传感器模块的输出端,以获取实际的电机转速。同时,第一控制器模块连接到第一反馈模块,以接收实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值,而第二控制器模块连接到第二反馈模块,以接收实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值。第一控制器模块和第二控制器模块构成本发明的控制模块10。
在接收到实际的电机转速后,第一控制器模块首先将判断电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值。此处的转速阈值一般大于或等于弱磁转速,优选等于永磁同步电机中预设电阻和预设电感的比值的5倍。不同的电机具有不同的转速阈值,因此转速阈值可以在出厂时就被预先设定。
在判断为实际的电机转速大于或等于转速阈值时,此时电机处于弱磁状态,第一控制器模块被配置为根据实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值来调节直轴电压Ud。具体而言,第一控制器模块可以是比例积分微分(PID)控制器,其能够对来自第一反馈模块的实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值进行比例积分迭代来调节直轴电压Ud。
例如,在实际的电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,这意味着实际交轴电流iq小于目标交轴电流iq_Ref,此时需要使实际交轴电流iq增大;而由于在电机处于弱磁状态下实际交轴电流iq满足上述表达式(7),因此为了使实际交轴电流iq增大,则需要使直轴电压Ud减小。因此,在电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,则第一控制器模块被配置为使直轴电压Ud减小。反之,在电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值大于0,这意味着实际交轴电流iq大于目标交轴电流iq_Ref,为了使实际交轴电流iq减小,根据上述表达式(7)可知,第一控制器模块被配置为需要使直轴电压Ud增大。并且,在电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值等于0,这意味着实际交轴电流iq等于目标交轴电流iq_Ref,此时第一控制器模块被配置为无需对直轴电压Ud进行调节。
此外,在判断为实际的电机转速小于转速阈值时,第一控制器模块则根据交轴电流iq来调节交轴电压Uq。同样地,第一控制器模块可以对来自第一反馈模块的实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值进行比例积分迭代,来调节交轴电压Uq。
例如,在实际的电机转速小于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,这意味着实际交轴电流iq小于目标交轴电流iq_Ref,此时需要使实际交轴电流iq增大;而此时,由于交轴电流iq满足上述表达式(2),因此为了使实际交轴电流iq增大,则需要使交轴电压Uq增大。因此,在电机转速小于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,则第一控制器模块被配置为使交轴电压Uq增大。反之,在电机转速小于转速阈值的情况下,如果实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值大于0,这意味着实际交轴电流iq大于目标交轴电流iq_Ref,为了使实际交轴电流iq减小,根据上述表达式(2)可知,第一控制器模块被配置为需要使交轴电压Uq减小。
类似地,在接收到实际的电机转速后,第二控制器模块也将首先判断电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值。在判断为实际的电机转速大于或等于转速阈值时,第二控制器模块被配置为根据实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差值来调节交轴电压Uq。具体而言,第二控制器模块可以是比例积分微分控制器,其能够对来自第二反馈模块的实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值进行比例积分迭代来调节交轴电压Uq。
例如,在实际的电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,这意味着实际直轴电流id小于目标直轴电流id_Ref,此时需要使实际直轴电流id增大;而由于在电机处于弱磁状态下实际直轴电流id满足上述表达式(8),因此为了使实际直轴电流id增大,则需要使交轴电压Uq增大。因此,在电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,则第二控制器模块被配置为使交轴电压Uq增大。反之,在电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值大于0,这意味着实际直轴电流id大于目标直轴电流id_Ref,为了使实际直轴电流id减小,根据上述表达式(8)可知,第二控制器模块被配置为需要使交轴电压Uq减小。并且,在电机转速大于或等于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值等于0,这意味着实际直轴电流id等于目标直轴电流id_Ref,此时第二控制器模块被配置为无需对交轴电压Uq进行调节。
此外,在判断为实际的电机转速小于转速阈值时,第二控制器模块则根据直轴电流id来调节直轴电压Ud。同样地,第二控制器模块可以对来自第二反馈模块的实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值进行比例积分迭代,来调节直轴电压Ud。
例如,在实际的电机转速小于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,这意味着实际直轴电流id小于目标直轴电流id_Ref,此时需要使实际直轴电流id增大;而此时由于直轴电流id满足上述表达式(1),因此为了使实际直轴电流id增大,则需要使直轴电压Ud增大。因此,在电机转速小于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,则第二控制器模块被配置为使直轴电压Ud增大。反之,在电机转速小于转速阈值的情况下,如果实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的第二差值大于0,这意味着实际交轴电流iq大于目标交轴电流iq_Ref,根据上述表达式(1)可知,第二控制器模块被配置为需要使直轴电压Ud减小。
随后,第一控制器模块和第二控制器分别连接到Park逆变换模块,由此可以将调节后的直轴电压Ud和交轴电压Uq输出给Park逆变换模块。接着,Park逆变换模块可以基于从转子位置传感器模块接收的转子的位置角度θ,并且根据以下关系式将dq坐标系下的直轴电压Ud和交轴电压Uq变换为αβ坐标系下的电压分量Uα和Uβ:
Uα=Ud cosθ-Uq sinθ;
Uβ=Ud sinθ+Uq cosθ。
Park逆变换模块连接到Clark逆变换模块,由此可以将αβ坐标系下的电压分量Uα和Uβ输出给Clark逆变换模块。接着,Clark逆变换模块可以将αβ坐标系下的电压分量Uα和Uβ变换为自然坐标系下的三相电压值Ua、Ub、Uc,并且随后将三相电压值Ua、Ub、Uc输出给电机。
电机在接收到调节后的三相电压值Ua、Ub、Uc后再次输出三相定子电流ia、ib、ic,而控制系统可以根据再次输出的三相定子电流ia、ib、ic再次执行上述控制,以使实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref之间的差值以及实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref之间的差值较小,从而有助于电机输出更加稳定的扭矩。
由此,上述基于FOC的控制系统可以对电机的电流分别进行Clark变换、Park变换、PID控制、Park逆变换以及Clark逆变换,使得电机的实际电流更加接近目标电流,从而控制电机输出恒定的电磁转矩,并且确保每单位定子电流产生的转矩最大,大大提升电机效率。
尤其是,根据本发明的控制模块可以针对不同的电机转速值对直轴电压Ud和交轴电压Uq进行直接控制,即在电机转速大于或等于预先设定的转速阈值时,PID控制器根据交轴电流iq来调节直轴电压Ud并且根据直轴电流id来调节交轴电压Uq,而在电机转速小于转速阈值时,PID控制器根据交轴电流iq来调节交轴电压Uq并且根据直轴电流id来调节直轴电压Ud。由此,无论电机转速如何,根据本发明的控制模块均可以更直接地、更加迅速地对直轴电压Ud和交轴电压Uq进行调节,以使得电机下一次输出的直轴电流id和交轴电流iq更加接近目标直轴电流id_Ref和目标交轴电流iq_Ref,确保每次输出的直轴电流id和交轴电流iq在任何电机速度下出现的波动较小,从而更加有助于电机输出恒定的电磁转矩。
此外,根据本发明的控制模块可以由计算机软件模块来实现,其中所包括的各个功能模块和模块单元均能够对应于集成电路结构中的具体硬件电路,因此解决相应的技术问题并获得相应的技术效果不但涉及具体硬件电路的改进,而且涉及控制软件或者计算机程序的应用,也就是说,本发明可以利用这些模块和单元所涉及的硬件电路结构方面的改进以及相对应的计算机程序的改进来解决所要解决的技术问题,并获得相应的技术效果。
下面参照图2的流程图来描述根据本发明的控制方法,该控制方法由上述的包括第一控制器模块和第二控制器模块的控制模块10来实施。如图2所示,在步骤S210,获取电机转速、实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref的第一差值、以及实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差。在步骤S220,判断电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值。
如果在步骤S220中判断电机转速大于或等于转速阈值时,由第一控制器模块根据第一差值来调节直轴电压Ud,并且由第二控制器模块根据第二差值来调节交轴电压Uq(即步骤S230)。如果在步骤S220中判断电机转速小于转速阈值时,由第一控制器模块根据第一差值来调节交轴电压Uq,并且由第二控制器模块根据第二差值来调节直轴电压Ud(即步骤S240)。具体调节过程参照上文针对第一控制器模块和第二控制器模块的描述,再次不在赘述。
由此,根据本发明的控制方法能够在无论电机以任何转速旋转的情况下均可以更直接地、更加迅速地对直轴电压Ud和交轴电压Uq进行调节,以使得电机下一次输出的直轴电流id和交轴电流iq更加接近目标直轴电流id_Ref和目标交轴电流iq_Ref,确保每次输出的直轴电流id和交轴电流iq在任何电机速度下出现的波动较小,从而更加有助于电机输出恒定的电磁转矩。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述,但在不脱离本发明的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件,尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种用于永磁同步电机的控制方法,包括以下步骤:
获取电机转速、实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref的第一差值、以及实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差值;
判断所述电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值;以及
当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述直轴电压Ud,并且根据所述第二差值来调节所述交轴电压Uq。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其中,
在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述实际交轴电流iq与所述目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,则使所述直轴电压Ud减小;否则,使所述直轴电压Ud增大。
3.根据权利要求1所述的控制方法,其中,
在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述实际直轴电流id与所述目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,则使所述交轴电压Uq增大;否则,使所述交轴电压Uq减小。
4.根据权利要求1所述的控制方法,还包括以下步骤:
当所述电机转速小于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述交轴电压Uq,并且根据所述第二差值来调节所述直轴电压Ud。
5.根据权利要求4所述的控制方法,其中,
在所述电机转速小于所述转速阈值时,如果所述实际交轴电流iq与所述目标交轴电流iq_Ref之间的第一差值小于0,则使所述交轴电压Uq增大;否则,使所述交轴电压Uq减小。
6.根据权利要求4所述的控制方法,其中,
在所述电机转速小于所述转速阈值时,如果所述实际直轴电流id与所述目标直轴电流id_Ref之间的第二差值小于0,则使所述直轴电压Ud增大;否则,使所述直轴电压Ud减小。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制方法,其中,
所述转速阈值为所述永磁同步电机中预设电阻和预设电感的比值的5倍。
8.一种用于永磁同步电机的控制模块,其包括第一控制器模块和第二控制器模块,其中,
所述第一控制器模块被配置为:
获取电机转速以及实际交轴电流iq与目标交轴电流iq_Ref的第一差值;
判断所述电机转速是否大于或等于预先设定的转速阈值;以及
当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述直轴电压Ud,并且
所述第二控制器模块被配置为:
获取所述电机转速以及实际直轴电流id与目标直轴电流id_Ref的第二差值;
判断所述电机转速是否大于或等于所述转速阈值;以及
当所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,所述第二差值来调节所述交轴电压Uq。
9.根据权利要求8所述的控制模块,其中,
所述第一控制器模块被配置为:在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述第一差值小于0,则使所述直轴电压Ud减小;否则,使所述直轴电压Ud增大,并且
所述第二控制器模块被配置为:在所述电机转速大于或等于所述转速阈值时,如果所述第二差值小于0,则使所述交轴电压Uq增大;否则,使所述交轴电压Uq减小。
10.根据权利要求8或9所述的控制模块,其中,
所述第一控制器模块被配置为:当所述电机转速小于所述转速阈值时,根据所述第一差值来调节所述交轴电压Uq,并且所述第二控制器模块被配置为:根据所述第二差值来调节所述直轴电压Ud。
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