CN1441334A - 马达转矩控制装置和方法 - Google Patents

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    • H02P27/047V/F converter, wherein the voltage is controlled proportionally with the frequency

Abstract

本发明披露了一种马达转矩控制装置和方法。将对预定的基准磁通量分量电流值与实际测量的磁通量分量电流值的差值适当地整合得到的补偿电压,与q轴指令电压相加,可以恒定地控制磁通量分量电流,即励磁电流,既不过量也不欠量。另外,由于无论马达的速度是多大都可以恒定地控制磁通量,因此即使在马达起动的早期阶段(即在低速下)也能产生大的转矩。这样,在从低速到高速的每个工作阶段都可以平稳地控制马达的转矩。

Description

马达转矩控制装置和方法
发明背景
发明领域
本发明涉及马达,更具体地,涉及控制马达转矩的装置和方法。
背景技术
一般地,控制马达转矩的传统装置和方法中控制马达转矩的方式是,将简单地以标量形式供给马达的额定电压与额定频率之比乘以表示为频率的速度指令值得到的电压值,加上对应于马达定子电阻的电压降值,并将与此加和值对应的电压输出到马达,从而控制马达的转矩。
电压降值是通过将马达定子的电阻值乘以流过定子的电流值得到的。但是,在这种控制方法中,根据马达的工作状况,如马达的速度或者马达上承载的负载量,马达不容易起动。
下面参考图1到3C描述传统技术中控制马达转矩的装置和方法。
图1表示一般感应马达的等价电路。
如图1所示,感应马达的等价电路包括电阻(rs)和电感(Xls Xm),组成输入电压(Vas)的电压回路;以及电感(Xls Xm)和电阻(rr/S),组成输出电压(Vas/S)的电压回路。
即,当通过使输入电压(Vas)与频率(F)的比值保持不变来控制感应马达的速度时,电阻(rs)是与频率无关的参数因而是个固定值,而电感(Xm Xls)的电感值与频率成正比。此时,电感与频率之间的关系由下面的方程(1)定义:
Xls=2π×F×Ils Xm=2π×F×Im……………(1)
式中,Ils和Im是每个电感(Xls Xm)上的电流值,F是频率。
如方程(1)所示,当电压与频率之比固定而频率下降时,施加在电感(Xm)上的电压(Eas)降低,电感(Xm)上的励磁电流也下降,从而感应马达的输出转矩减小。感应马达的输出转矩(T)由下面的方程(2)定义:
T=k×Im×It……………(2)
式中,k是常数,Im是励磁电流,It是产生转矩的转矩分量电流值。
当使用定义的输出转矩(T)驱动感应马达时,应当根据施加在感应马达上的负载情况适当控制转矩。
例如,当电梯在停止状态装满人时,如果启动马达进行上升操作,应当对马达提供额外的转矩升压,以便输出比方程(2)中所示的转矩大的转矩,因为在起动的初始阶段需要更大的转矩。但是,在这一方面,如果转矩升压超过需要值,则产生过量的励磁电流损坏马达,并且由于过流可以损坏与马达电气相连的逆变器。
另一方面,如果转矩升压供应不足,则马达的输出转矩不足以起动马达以及提升电梯。
此时,如果标准马达由逆变器操作,由于电压(V)的变化与输出频率(F)成比例,所以电压降在低频区大大增加,马达产生的转矩与商业电力供应的转矩相比非常小。因此,通过增大与低频区电压降相当的电压,用于补偿马达输出转矩不足的电压,这被称为转矩升压(torque boost voltage)。
下面参考图2描述传统技术的马达转矩控制装置。
如图2所示,传统马达转矩控制装置包括:角速度计算单元1,用于根据与速度指令值对应的目标频率(即输出频率)(F*)计算弧度频率(We);V/F转换器2,用于从存储器单元或从用户的设定接收先前存储的目标频率(F*),根据输入频率(F)与输入电压(V)的预定比(V/F)将目标频率(F*)转换为电压指令值(V*)并将之输出;电压降计算单元3,用于从先前存储的存储器单元或从用户的设定接收马达6的定子线圈(简称为定子)的电流(Ias),将输入的电流值(Ias)与马达6的定子电阻值(Rs)相乘以计算电压降值;加法器4,用于将来自V/F转换器2的电压指令值(V*)与来自电压降计算单元3的电压降值相加并将之输出;以及逆变器5,用于根据弧度频率(We)和加法器4产生的电压控制马达6的运转。
即,传统马达转矩控制装置的结构方式为,通过由V/F转换器2将目标频率(F*)转换为电压指令值(V*)得到的电压被对应于马达6的定子电阻的电压降分量所补偿,所补偿的电压供给逆变器5,从而控制马达6的转矩。
图3A到3C表示传统技术中根据马达的负载以及运转方向输出到马达的升压指令电压的V/F曲线。
例如,如果马达的额定电压是220V,额定频率是60Hz,电压与频率之比为220/60,约等于3.7,则传统马达转矩控制装置根据该电压-频率比通过逆变器(更具体地,脉冲宽度调节器和开关装置)为马达提供指令电压。
图3A是应用于输送机或电动小货车的电压-频率曲线,表示根据特定的电压-频率比转矩增大量与输出电压之间的对比。输送机或电动货车是指在水平方向上向前或向后运动的负载,并且当它向前或向后运动时所需的转矩相同。这样,传统马达转矩控制装置根据预定的电压-频率比输出指令电压,直到在负载的向前运动和向后运动达到相等的额定频率,如图3A中的虚线所示。
但是,由于在起动状态(即在低速的低频条件下)需要较大的转矩,实际上,增大并输出如图3A中实线所示的指令电压;当马达的转动频率接近于额定频率时,即,当负载的速度接近于额定速度时,升压变小;当马达达到额定频率时升压变为零。
图3B和3C是诸如电梯或升降机的上升/下降负载的电压-频率曲线,表示根据预定的电压-频率比的转矩增大量与输出电压之间的对比。
对于上升/下降负载,在下降方向上工作时起动不需要大的转矩,因此不需要马达转矩的增大,即升压。
因此,当向上驱动上升/下降负载的马达的旋转方向是正方向的情况下,在上升/下降负载上升时,增加一个根据低频区的预定电压-频率比大于输出电压的升压,以输出指令电压,其中电压与频率比的曲线与图3B中的上线类似。而在当向下驱动上升/下降负载的马达的旋转方向是反方向的情况下,在上升/下降负载下降时,不需要升压,从而输出电压根据如图3B中的下线的预定电压-频率比来控制。
同时,当向上驱动上升/下降负载的马达的旋转方向是反方向时,在上升/下降负载上升时,增加一个根据低频区的预定电压-频率比大于输出电压的升压,以输出指令电压,其中电压-频率比的曲线与图3C中的上线类似。在上升/下降负载下降时,即当正向驱动马达时,不需要升压,从而根据与图3C中下线类似的特定电压-频率比控制输出电压。
传统马达转矩控制方法是提供由以下方程(3)计算的输出电压(V)的方法,用于恒定地控制励磁电流。
输出电压(V)=Rs×Is+(额定电压/额定频率)×指令频率……(3)
式中,Rs是马达的定子电阻值,Is是马达定子电阻中流过的电流值。
即,在传统马达转矩控制方法中,马达转矩的控制仅仅是基于这样一个电压,即,将对应于流过定子电阻的电流的电压降补偿给对应于额定电压-额定频率比的电压而得到的电压。
这样,如图3A到3C所示,即使通过将升压与输出电压相加得到的电压控制转矩,实际马达的励磁电流也可以过量或者是供应不足。因此,马达可能被过大的励磁电流所损坏,或者由于励磁电流不足而没有产生所需的转矩量。
另外,在传统马达转矩控制装置和方法中,如果马达上作用的负载量大于对应于与预定的电压-频率比相应的电压指令的马达转矩,或者大于根据升压指令的马达转矩,则不能起动马达。即,如果作用在马达上的负载大,则马达不起动,只会因正向和反向转动而振动,其中反方向不是马达所需的方向。
并且,在传统马达转矩控制装置和方法中,如果定子电阻值是不准确的,则不可能精确地控制马达的转矩,由此应该测量和设定所需的准确电阻值。
发明概述
因此,本发明的一个目的是提供一种马达转矩控制装置和方法,无论作用在马达上的负载大小都能产生最佳的转矩升压,并根据所产生的最佳升压,精确地和稳定地控制马达转矩。
为了达到上述和其它优点,根据本发明的目的,如同这里具体的实施例以及广泛的描述,提供一种马达转矩控制装置,包括频率-电压转换器,根据马达预定的额定电压-额定频率比将指令频率转换为电压值并将之输出;磁通量控制器,用于输出补偿电压,补偿预定的磁通量分量电流基准值与测得的实际磁通量分量电流之差;定子电压降计算器,用于接收测量的实际转矩分量电流值,计算补偿马达定子电阻产生的电压降所用的电压并将之输出;加法器,用于将磁通量控制器、频率-电压转换器和定子电压降计算器的输出值相加并将加和值输出,作为转矩分量指令电压;磁通量分量指令电压发生器,用于接收测得的实际磁通量分量电流值以及实际的转矩分量电流值,计算并输出磁通量分量指令电压;以及逆变器,根据从加法器接收的转矩分量指令电压以及从磁通量分量指令电压发生器接收的磁通量分量指令电压,来控制马达。
为了达到上述目的,还提供了一种马达转矩控制方法,包括以下步骤:测量马达的实际磁通量分量电流值;产生补偿电压,用于补偿测得的实际磁通量分量电流值与预定的基准磁通量分量电流值之间的差值;根据马达预定的额定频率与额定电压之比将指令频率转换为相应的电压;通过将马达定子电阻值乘以测得的实际转矩分量电流值计算对应于马达定子电阻的电压降;将所述差值的补偿电压、所述从指令频率转换来的电压以及所述电压降相加,并产生转矩分量指令电压值;根据测得的马达实际转矩分量电流值、测得的马达实际磁通量分量电流值、定子电阻值、将指令频率乘以2π得到的角速度、以及马达的泄漏电抗,产生磁通量分量指令电压;以及根据转矩分量指令电压值和磁通量分量指令电压值控制马达的转矩。
结合附图,并参考本发明的以下详细描述,本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加清楚。
附图简述
所提供的附图是为了进一步理解本发明,附图包括在本说明书中并作为本说明书的一部分。附图图解了本发明的实施例,并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图中:
图1表示一般感应马达的等价电路;
图2表示传统技术中马达转矩控制装置的结构;
图3A到3C是频率-输出电压曲线,与承载负载的马达的频率-电压曲线和升压曲线进行对比;以及
图4是本发明的马达转矩控制装置。
优选实施例详述
下面详细描述本发明的优选实施例,其实例表示在附图中。
图4是本发明的马达转矩控制装置。
如图4所示,马达转矩控制装置包括:V/F转换器20,根据马达70预定的额定电压(V)与额定频率(F)之比(V/F比)将指令频率(即目标速度)转换为电压并将之输出;磁通量控制器10,用于输出补偿电压,补偿预定的磁通量分量电流基准值(Id_ref)与磁通量分量电流的实际测量值(Id_actual)之间的差值;定子电压降计算装置(电压降计算器)30,用于接收测量的实际转矩分量电流值(Iq_actual),计算补偿马达70定子电阻引起的电压降所用的电压并将之输出;加法器40,用于将磁通量控制器10、V/F转换器20和定子电压降计算装置30的输出值相加并输出加和值作为转矩分量指令电压(简称为q轴指令电压)(Vq);磁通量分量指令电压发生器,用于接收测量的实际磁通量分量电流值(Id_actual)和实际转矩分量电流值(Iq_actual),计算并输出磁通量分量指令电压(简称为d轴指令电压)(Vd);以及逆变器60,根据从加法器40接收的q轴指令电压(Vq)以及从磁通量分量电压发生器50接收的d轴指令电压(Vd)来控制马达70。
预定的V/F比是将每台马达70的预定额定电压(例如交流220V)除以额定频率(例如50Hz)得到的比值,这一比值事先计算并存储起来。
一台马达的磁通量分量电流应该是一个预定值,但由于实际上它是变化的,因此通过对比预定的基准值与实际的测量值而对差值进行补偿。实际磁通量分量电流值(Id_actual)和实际转矩分量电流值(Iq_actual)是按如下方法测量的。
即,在连接逆变器60与马达70的三相交流输出线的每根相线上装有电流互感器(CT),测量马达70的三相电流。互感器测量后输出的三相交流电流通过三相/二相转换器转换成二相电流,从而得到实际磁通量分量电流值和实际转矩分量电流值。
这里,三相/二相转换器使用预定的公知计算公式将三相电流转换成二相电流,并将之提供到本发明的转矩控制装置。互感器和三相/二相转换器在附图中未图示。
本发明的马达转矩控制装置可以制造成一台逆变器,但前述逆变器可以认为仅仅是一台三相开关装置(一般地,制成每一相一对功率管),用于通过开关将三相交流电流供给马达;也可以认为是脉冲宽度调节器,用于接收q轴指令电压(Vq)和d轴指令电压(Vd)并将作为控制开关装置开关的脉冲宽度调节信号供给开关装置。
磁通量控制器10包括:减法器11,用于计算供给马达70的实际磁通量分量电流值(Id_actual)与预定的基准磁通量分量电流值(Id_ref)之间的差值;以及适当整合(proportional integration)控制器(简称为PI控制器)12,将从减法器11接收的差值进行适当整合并输出补偿电压,使实际磁通量分量电流(Id_actual)与基准磁通量分量电流(Id_ref)相等。
磁通量分量指令电压发生器50包括:第一电压发生器50-1,用于接收实际磁通量分量电流值(Id_actual),将预定的定子电阻值乘以实际磁通量分量电流值(Id_actual),并产生和输出第一电压;第二电压发生器50-2,用于接收实际转矩分量电流值(Iq_actual),将实际转矩分量电流乘以马达70的角速度(We)与泄漏电抗(δLs)的乘积,并产生和输出第二电压;以及减法器50-3,用于从第一电压发生器50-1输出的第一电压中减去第二电压发生器50-2输出的第二电压,输出结果作为磁通量分量指令电压值(Vds)。
预定的定子电阻被事先测量并存储。角速度(We)是使用公知的公式We=2πf(f是指令频率(F),计算装置未图示)计算后得出的数值。泄漏电抗(δLs)是每台马达预定的固有值。即,泄漏电抗(δLs)是一个事先存储的数值,这个数值是通过使用预定的计算公式(待描述)以及事先测量的每台马达的定子和转子的电抗值和/或互电抗值计算得出的。
下面详细描述本发明马达转矩控制装置的操作。
首先,磁通量控制器10的减法器11对比马达70的实际磁通量分量电流值(Id_actual)与预定的基准磁通量分量电流值(Id_ref)并计算实际电流(Id_actual)与基准电流(Id_ref)之间的差值,其中的实际磁通量分量电流值(Id_actual)是将电流互感器检测的三相电流通过三相/二相转换器转换成二相电流获得的,并且将计算的结果输出到磁通量控制器10的PI控制器12。
PI控制器12对减法器11计算的差值进行适当整合并将补偿电压输出到加法器40,所输出的补偿电压使实际磁通量分量电流值(Id_actual)与预定的基准磁通量分量电流值(Id_ref)彼此相等。
V/F转换器20根据预定的V/F比将用于控制马达70速度的指令频率(F)转换成电压并将之输出到加法器40。
此时,电压降计算装置30通过将预定并存储的定子电阻(Rs)乘以马达70的实际转矩分量电流值(Iq_actual)得到电压降,其中的实际转矩分量电流值是将互感器检测的三相电流通过三相/二相转换器转换成二相电流获得的,并且将得到的电压降作为补偿电压输出到加法器40。
加法器40将从PI控制器12接收的磁通量分量电流补偿电压、从V/F转换器20接收的频率到电压转换值以及从电压降计算装置30接收的电压降相加,并将加和值作为q轴分量指令电压(Vqs)输出到逆变器60。
q轴指令电压(Vqs)定义为如下方程(4):
Vqs=(Rs×Iqs)+(We×Ls×Ids)…………(4)
式中,Vqs是q轴指令电压,Ls是定子的泄漏电抗,We是角速度,Rs是马达的定子电阻,Iqs是马达的实际q轴分量电流,Ids是马达的实际d轴分量电流。
在方程(4)中,We、Ls、Ids的乘积称为反发电力(Eq),即Eq=We×Ls×Ids。
因此,本发明提出时注意到,q轴指令电压(Vqs)可以通过控制反发电力(Eq)进行控制,而反发电力(Eq)的变化影响马达的转矩,特别是磁通量分量电流。
从这一点出发,在本发明中,将通过对预定的基准磁通量分量电流(Id_ref)与实际测量的磁通量分量电流(Id_actual)的差值进行适当整合得到的补偿电压,与q轴指令电压相加,使得能恒定地控制磁通量分量电流,即励磁电流,既不过量也不欠量。
另外,通过对测量的实际转矩分量电流值和定子电阻值积分得到的定子电压降补偿电压值与适当整合得到的补偿电压相加,产生转矩分量指令电压,此电压自动地变为转矩升压。
此外,由于无论马达的速度是多大都可以恒定地控制磁通量,因此即使在马达起动的早期阶段(即在低速下)也能产生大的转矩。
下面描述磁通量分量指令电压发生器50的操作。
磁通量分量指令电压发生器50的第一电压发生器50-1将预定并存储的定子电阻值(Rs)乘以马达70的实际磁通量分量电流值(Id_actual),其中的实际磁通量分量电流(Id_actual)是将电流互感器检测的三相电流通过三相/二相转换器转换成二相电流获得的,并且将结果作为第一电压输出。
此时,磁通量分量指令电压发生器50的第二电压发生器50-2接收实际转矩分量电流值(Iq_actual),其中的实际转矩分量电流是将互感器检测的三相电流通过三相/二相转换器转换成二相电流获得的,并且将(Iq_actual)值乘以马达70的角速度(We)与泄漏电抗(δLs)的乘积,并将结果作为第二电压输出。
减法器50-3,用于从第一电压发生器50-1输出的第一电压中减去第二电压发生器50-2输出的第二电压,并将结果作为磁通量分量指令电压值(Vds)输出到逆变器60。
d轴指令电压(Vds)定义为如下方程(5):
Vds=(Rs×Ids)-(We×δLs×Iqs)………(5)
式中,Vds是d轴电压值,We是弧度频率,Rs是马达的定子电阻值,Ids是马达的磁通量分量电流值,Iqs是供给马达的q轴分量电流值,δLs是马达的泄漏电抗值。
泄漏电抗δLs可以表示为以下方程:δLs=Ls-Lm2/Lr
式中,Ls是定子电抗,Lm是互电抗,Lr是转子电抗,δLs几乎等于LIs和LIr之和,其中LIs是定子泄漏电抗,LIr是转子泄漏电抗。
定子电抗(Ls),互电抗(Lm)和转子电抗(Lr)是每台马达的固有特性,可以通过测量和公知的计算公式获得。
因此,利用如此得到的特征常数值、公式δLs=Ls-Lm2/Lr或者δLs几乎等于LIs和LIr之和的事实,可以得到泄漏电抗(δLs),并且事先存储这一结果。这样,通过将测量的实际转矩分量电流(Iqs)乘以根据公式We=2πF和事先存储的泄漏电抗(δLs)单独计算的指令频率的角速度转换值,第二电压发生器50-2可以计算第二电压。
在方程(5)中,可以省略弧度频率(We),使用公式Vds=(Rs×Ids)-(δLs×Iqs)可以得到磁通量分量指令电压。此时,第二电压发生器50-2将测量的实际转矩分量电流(Iqs)仅乘以事先存储的泄漏电抗(δLs),并将结果作为第二电压输出。当然,此时减法器50-3从第一电压发生器50-1输出的第一电压中减去第二电压,并将结果作为磁通量分量指令电压(Vds)输出。
此后,逆变器60接收q轴指令电压即转矩分量指令电压值(Vqs)和d轴指令电压即磁通量分量指令电压(Vds),并调节它们的脉冲宽度,控制开关装置的开关,从而控制马达70。
如上所述,本发明的马达转矩控制装置和方法具有很多优点。
即,第一,将通过对预定的基准磁通量分量电流值(Id_ref)与实际测量的磁通量分量电流值(Id_actual)的差值进行适当整合得到的补偿电压,与q轴指令电压相加,可以恒定地控制磁通量分量电流,即励磁电流,既不过量也不欠量。
第二,将测量的实际转矩分量电流值和定子电阻值与适当整合得到的补偿电压值结合在一起得到的定子电压降补偿电压,自动地与经频率-电压转换的指令电压相加,从而产生转矩分量指令电压,此电压自动地变为转矩升高。
第三,由于无论马达的速度是多大都可以恒定地控制磁通量,因此即使在马达起动的早期阶段(即在低速下)也能产生大的转矩。这样,在从低速到高速的每个工作阶段都可以平稳地控制马达的转矩。
最后,通过按矢量将电压指令分成磁通量分量和转矩分量可以并行地控制马达,从而可以避免由于马达起动的早期阶段磁通量振动产生的转矩振动。这样,即使在承载大负载时也能容易地起动马达。
在不偏离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以按照多种形式实施,因此应该理解的是,除非特别说明,上述实施例并不限制于上面描述的任何细节,而是在权利要求限定的精神和范围内得到广泛解释。因此,所有落在权利要求的边界和范围内,或者与这些边界和范围等价的变化和修改,都被所附的权利要求所覆盖。

Claims (6)

1.一种马达转矩控制装置,包括:
频率-电压转换器,用于根据预定的额定电压-额定频率比将指令频率转换为电压并将之输出;
磁通量控制器,用于输出补偿电压,以补偿预定的磁通量分量电流基准值与测得的实际磁通量分量电流值之差;
定子电压降计算装置,用于接收测得的实际转矩分量电流值,计算补偿马达定子电阻产生的电压降所用的补偿电压并将之输出;
加法器,用于将磁通量控制器、频率-电压转换器和定子电压降计算装置的输出值相加并将加和值输出,作为转矩分量指令电压;
磁通量分量指令电压发生器,用于接收测得的实际磁通量分量电流以及实际的转矩分量电流,计算并输出磁通量分量指令电压;以及
逆变器,用于根据从加法器接收的转矩分量指令电压以及从磁通量分量指令电压发生器接收的磁通量分量指令电压,对马达进行控制。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于磁通量控制器包括:
减法器,用于得出供给马达的实际磁通量分量电流值与预定的基准磁通量分量电流值之间的差值;以及
适当整合控制器,用于对从减法器接收的差值进行适当整合并输出补偿电压,使实际磁通量分量电流与基准磁通量分量电流相等。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于磁通量分量指令电压发生器包括:
第一电压发生器,用于接收实际磁通量分量电流值,将预定的定子电阻值乘以实际磁通量分量电流值,产生和输出第一电压;
第二电压发生器,用于接收实际转矩分量电流值,将实际转矩分量电流值乘以马达的角速度与泄漏电抗的乘积,产生和输出第二电压;以及
减法器,用于从第一电压发生器输出的第一电压中减去第二电压发生器输出的第二电压,并输出结果值,作为磁通量分量指令电压值。
4.一种马达转矩控制方法,包括以下步骤:
测量马达的实际磁通量分量电流值;
产生补偿电压,用于补偿测量的实际磁通量分量电流值与预定的基准磁通量分量电流值之差;
根据马达额定频率与额定电压之比将指令频率转换为相应的电压;
通过将马达定子电阻值乘以测量的实际转矩分量电流值计算对应于马达定子电阻的电压降;
将差值的补偿电压值、从指令频率转换来的电压值以及电压降值相加,产生转矩分量指令电压值;
根据马达实际转矩分量电流的测量值、马达实际磁通量分量电流的测量值、定子电阻值、将指令频率乘以2π得到的角速度以及马达的泄漏电抗,产生磁通量分量指令电压值;以及
根据转矩分量指令电压值和磁通量分量指令电压值控制马达的转矩。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于产生补偿电压的步骤包括:
计算马达实际磁通量分量电流的测量值与基准磁通量分量电流值之间的差值;以及
对计算的差值进行适当整合并产生补偿电压,使当前供给马达的数值与基准电流值彼此相等。
6.如权利要求4所述的方法,其特征在于产生磁通量分量指令电压的步骤包括:
将马达实际磁通量分量电流的测量值乘以定子电阻值,产生第一电压;
将马达实际转矩分量电流的测量值、指令频率乘以2π得到的弧度频率以及泄漏电抗相乘,产生第二电压;以及
从第一电压值中减去第二电压值,产生与所述减去的电压对应的电压作为磁通量分量指令电压。
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