永磁同步电机工作原理及控制策略ppt课件

1、内容提要内容提要nPMSM和BLDC电机的特点nPMSM和BLDC电机的运用范围nPMSM和BLDC电机的构造nPMSM和BLDC电机的任务原理nPMSM和BLDC电机的控制战略nPMSM电机的FOC控制战略q PMSM和和BLDC电机的特点电机的特点n优点 1功率密度大； 2功率因数高气隙磁场主要或全部由转 子磁场提供； 3效率高不需求励磁，绕组损耗小； 4构造紧凑、体积小、分量轻，维护简 单； 5内埋式交直轴电抗不同，产生构造转 矩，弱磁性能好，外表贴装式弱磁性 能较差。n缺陷 1价钱较高； 2弱磁才干低； 3起动困难，高速制动时电势高，给 逆变器带来一定的风险； 4他控式同步电机有失步和

2、震荡的可 能性。q PMSM和BLDC电机的特点qPMSM和和BLDC电机的运用范围电机的运用范围n软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓视频磁头和磁带伺服系统 体积小、容量小、控制精度高n机床、机器人等数控系统 快速性好、定位速度和位置精度高、快速性好、定位速度和位置精度高、起动转矩大、过载才干强起动转矩大、过载才干强n交通运输 电动自行车、电动汽车、混合动力车、 城轨车辆、机车牵引n家用电器 冰箱、空调等单位体积功率密度高、冰箱、空调等单位体积功率密度高、 体积小体积小qPMSM和和BLDC电机的运用范围电机的运用范围rrggbbNSACBZYXn模拟构造图qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造

3、 霍尔传感器 定子绕组转子磁铁n实物构造图qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造n定子 定子绕组普通制成多相三、四、五相不等，通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差120度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造n转子 转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁资料。 采用永磁体简化了电机的 构造，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。 qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造nPMSM按转子永磁体的构造可分为两种1外表贴装式外表贴装式SM-PMSM直交轴电感直交轴电感Ld和和Lq一样一样气隙较大，弱磁才干小，气隙较大，

4、弱磁才干小，扩速才干遭到限制扩速才干遭到限制qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造2内埋式内埋式IPMSM交直轴电感交直轴电感:LqLd气隙较小，有较好的气隙较小，有较好的弱磁才干弱磁才干qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造n无刷直流电机n永磁体的弧极为永磁体的弧极为180180度，永磁体产生的气度，永磁体产生的气n 隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动动n 势亦是交流梯形波势亦是交流梯形波n定子绕组为定子绕组为Y Y或或 结合三相整距绕组结合三相整距绕组n由于气隙较大，故电枢反响很小由于气隙较大，故电枢反响很小n qPMSM和和BLDC电机的构造电机的

5、构造n正弦波永磁同步电机永磁体外表设计成抛物线，极弧大体为永磁体外表设计成抛物线，极弧大体为 120120度度定子绕组为短距、分布绕组定子绕组为短距、分布绕组定子由正弦波脉宽调制定子由正弦波脉宽调制SVPWMSVPWM的电压型的电压型逆变其供电，三相电流为正弦或准正弦逆变其供电，三相电流为正弦或准正弦波波 qPMSM和和BLDC电机的构造电机的构造nPMSM的数学模型ABC、 、：定子三相静止坐标系：定子两相静止坐标系：转子两相坐标系、d、q 为了简化和求解数学模型方程，运用坐为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换实际标变换实际,经过对同步电动机定子三相经过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的

6、根本方程进静止坐标轴系的根本方程进 行线性变换，实现电机数学模型的解耦行线性变换，实现电机数学模型的解耦 。qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理：定子电压：定子电流：定子磁链矢量：转子磁链矢量：转子角位置：电机转矩角sssfrui假设： 1)忽略电动机铁心的饱和； 2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； 3)转子无阻尼绕组。 永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学模型可以表达如下：sss sduR idtrjss sfLie定子电压：定子磁链：电磁转矩：32epssTniqPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理永磁同步电动机在 坐标系中的数学模型可以表达如下：sssjs

7、ssiiji定子电流：定子磁链：电磁转矩：32epssssTnii qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模型可以表达如下：定子电压：定子磁链：电磁转矩：dds drqduR idt qqs qrdduR idt dddfL iqq qL i3()2enfqdqdqTpiLLi iqPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理122334455661.VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、每一瞬间有两个功率开关导通，每隔60度换相一次，每次换相一个功率开关，每个功率开关导通120度电角度。导照射序为1 1两两通电方式两两通

8、电方式qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理nBLDC电机控制方式全控桥两两通电电路原理图1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC译码电路H1H2H3t0 01Ht2H0 03H0 02t3412VFVF、将三只霍尔集成电路按相位差120度安装，产生波形如下图。qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理 导通时合成转矩 导通是合成转矩c)两两通电时合成转矩23VFVF、Y结合绕组两两通电时的合成转矩矢量图123234345456561612123.VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFVFVF、每一瞬间有三个功率开关导

9、通，每隔60度换相一次，每个功率开关导通180度电角度。导照射序为2 2三三通电方式三三通电方式qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC译码电路H1H2H3Y结合三三通电方式的控制原理图Y结合三三通电方式相电压和线电压波形t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31612VFVFVFqPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理三三通电时的合成转矩矢量图 导通时合成转矩 导通是合成转矩c)三三通电时合成转矩 123VFVFVF()aeeTUURnTKK KnBLDC电机稳定运转机械特性方程3 3BLDCBLDC电机运转性能

10、和传送函数电机运转性能和传送函数：电机转速r/min；：电源电压V；：功率开关压降V；：电动势系数；：电动机产生的电动转矩平均N.m;：转矩系数；：电动机的内阻 。eaTnUUKTKRqPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理2375aaTaLaeUUEIRTK IGDdnTTdtEK n24G Dg J2LTGDnBLDC电机的动态特性方程：电动机负载阻转矩；：电动机转子飞轮力矩 ， 为转动惯量2.N mJqPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理12( )( )11LeeKKn sU sTT sT s1221/(375)reTeeTKKKR K KTRGDK K；。12eK

11、KTnBLDC电机传送函数：电动势传送系数，：转矩传送系数，：电磁时间常数，BLDC电动机动态构造图qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理 1开环控制：u/f恒定 2闭环控制：n矢量控制 70年代n直接转矩控制80年代n永磁同步电机控制方式qPMSM和和BLDC电机的任务原理电机的任务原理定子电流经过坐标变换后转化为两相定子电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐标系上的电流旋转坐标系上的电流 和和 ，从而，从而调理转矩调理转矩 和实现弱磁控制。和实现弱磁控制。FOC中需求丈量的量为：定子电流、中需求丈量的量为：定子电流、转子位置角转子位置角 dsqsiiq PMSM电机的电机的FOC控

12、制战略控制战略eT1、任务原理以转子磁场定向以转子磁场定向系统动态性能好，控制精度高系统动态性能好，控制精度高控制简单、具有直流电机的调速性能控制简单、具有直流电机的调速性能运转平稳、转矩脉动很小运转平稳、转矩脉动很小2、FOC特点q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略 控制控制 定子电流中只需交轴分量，且定子磁动定子电流中只需交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。电机的输出转矩与定子电流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简单，其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，可以获得很宽的调速范

13、围，转矩性能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器人等场适用于高性能的数控机床、机器人等场所。电机运转功率因数低，电机和逆变所。电机运转功率因数低，电机和逆变器容量不能充分利用。器容量不能充分利用。3、FOC控制方式q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略0di 控制控制 控制交、直轴电流分量，坚持控制交、直轴电流分量，坚持PMSMPMSM的功的功率因数为率因数为1 1，在，在 条件下，电机的条件下，电机的电磁转矩随电流的添加呈现先添加后减电磁转矩随电流的添加呈现先添加后减小的趋势。小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。缺乏之处可以充分利用逆变器的容量。缺乏之处在于可以

14、输出的最大转矩较小。在于可以输出的最大转矩较小。最大转矩最大转矩/ /电流比控制电流比控制 也称为单位电流输出最大转矩的控制也称为单位电流输出最大转矩的控制最优转矩控制。最优转矩控制。 它是凸极它是凸极PMSMPMSM用的较多的一种电流控制用的较多的一种电流控制战略。当输出转矩一定时，逆变器输出战略。当输出转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的铜耗。电流最小，可以减小电机的铜耗。q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略cos1cos14、坐标变换1 1ClarkeClarke3s/2s3s/2s变换变换3N：三相绕组每相绕组匝数：两相绕组每相绕组匝数各相磁动势为有效匝数与电流的乘

15、积，其相关空间矢量均位于有关相的坐标轴上。2Nq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 轴上的投影都应相等，因此233332333cos60cos6011()22sin60sin603()2ABCABCBCBCN iN iN iN iN iiiN iN iN iN ii321112233022ABCiiNiiNiq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略思索变换前后总功率不变，可得匝数比应为2 / 3102133221322C111222333022ABCiiiii3223NN3/21112

16、22333022C坐标系变换矩阵：可得q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略假设三相绕组是Y形结合不带零线，那么有302122ABiiii2031162ABiiii0ABCiii于是q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略d两个交流电流 和两个直流电流 ，产生同样的以同步转速 旋转的合成磁动势 轴和矢量 都以转速 旋转，分量 的长短不变。 轴与 轴的夹角 随时间变化2 2ParkPark2s/2r2s/2r变换变换1sFdqii、dqii、dq、ii、( )SsF i1q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略由图可见， 和 之间存在以下关系坐标系变换矩阵：写成矩阵的方式，得

17、ii、dqii、cossinsincosdqdqiiiiii2 /2cossinsincosddrsqqiiiCiii 2 /2cossinsincosrsC2 /2cossinsincossrCq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略由三组六个开关 组成。由于 与 、 与 、 与 之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有 种能够的开关组合 PWMPWM逆变器模型逆变器模型dUASBSCSASBSCS+-3 3电压空间矢量电压空间矢量,ABCABCSSSSSSASASBSBSCSCS 823q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略假设规定三相负载的某一相与“+极接通时，

18、该相的开关形状为“1态；反之，与“-极接通时，为“0态。那么8种能够的开关组合 逆变器7种不同的电压形状：电压形状“1至“6零电压关形状“0和“7 q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略逆变器的输出电压 用空间电压矢量来表示，依次表示为 ( )su t(001)(101)(011)(100)(110)(010)(000)(111)ssssssssuuuuuuuu、逆变器非零电压矢量输出时的相电压波形、幅值和电压形状的对应关系图 电压形状和开关形状均以6个形状为一个周期，相电压幅值为两种： 和 2/3dU/3dUq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略把逆变器的7个输出电压形状放入

19、空间平面内，构成7个离散的电压空间矢量。每两个任务电压空间矢量在空间的位置相隔60角度，6个任务电压空间矢量的顶点构成正六边形 q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略选定定子坐标系中的 轴与 矢量复平面的实轴 重合，那么其三相物理量 的 矢量 为： a( )( )( )abcXtXtXt、( )X tParkPark22( )( )( )( )3abcX tXtXtXt120=je式中 复系数，旋转因子，旋转空间矢量 的某个时辰在某轴线 轴上的投影就是该时辰该相物理量的瞬时值。( )X tabc、 、q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略假设 三相负载的定子绕组接成星形，其输出

20、电压的空间矢量 的 矢量变换表达式为 2/3/3adbcduuuuu 011abcSPark2 /34 /32( )3jjsabcu tuu eu e对于形状“1 时；可知abc、 、( )su t那么2 /34 /32211(011)()33332233jjsdddjdduuu eu euu eq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略电压空间矢量的结论： n逆变器六个任务电压形状给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差60度；n电压空间矢量的幅值不变，都等于 ，因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点；n六个电压空间矢量的顺序如下，它们依次

21、沿逆时针方向旋转；n零电压形状7位于六边形中心。2/3du(011)(001)(101)(011)(100)(110)ssssssuuuuuuq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略5、FOC根本方程SM-PMSM的电压和磁链方程：定子相绕组：定子相绕组电感：定子相绕组互感：转子电角度：转子永磁磁链其中q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略阐明：交轴电流 和转矩是线性关系，而直轴电流 对转矩没有影响。 假设 为电机额定电流，当 时产 生最大转矩 。磁链转矩方程sIqsidsi,0qssdsiI i22sqsdsIiiq PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略6、FOC的组成1

22、 1SVPWMSVPWM模块。采用先进的调制算法以模块。采用先进的调制算法以 减少电流谐波、提高直流母线电压减少电流谐波、提高直流母线电压 利用率；利用率；2 2电流读取模块。经过精细电阻或电电流读取模块。经过精细电阻或电 流传感器丈量定子电流；流传感器丈量定子电流；q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略3 3转子速度转子速度/ /位置反响模块。采用霍尔位置反响模块。采用霍尔 传感器或增量式光电编码器来准确传感器或增量式光电编码器来准确 获取转子位置和角速度信息，也可获取转子位置和角速度信息，也可 采用无传感器检测算法进展丈量；采用无传感器检测算法进展丈量；4 4PIDPID控制模块；

23、控制模块；5 5ClarkClark、ParkPark及及Reverse ParkReverse Park变换模变换模 块。块。q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略7、FOC原理图q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略r1 1将电流读取模块丈量的相电流将电流读取模块丈量的相电流 和和 ， 经过经过ClarkClark变换将其从三相静止坐标变换将其从三相静止坐标系变系变 换到两相静止坐标系换到两相静止坐标系 和和 ；2 2 和和 与转子位置与转子位置 结合，经过结合，经过ParkPark变换变换 从两相静止坐标系变换到两相旋转从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系坐标系 和和 ；3 3转子速度转子速度/ /位置反响模块将丈量的转位置反响模块将丈量的转子角子角 速度速度 与参考转速与参考转速 进展比较，并进展比较，并经过经过PIPI 调理器产生交轴参考电流调理器产生交轴参考电流 ；q PMSM电机的电机的FOC控制战略控制战略biaiii