永磁同步电机工作原理及其控制策略

1、内容提要内容提要nPMSM和BLDC电机的特点nPMSM和BLDC电机的应用范围nPMSM和BLDC电机的结构nPMSM和BLDC电机的工作原理nPMSM和BLDC电机的控制策略nPMSM电机的FOC控制策略q PMSM和和BLDC电机的特点电机的特点n优点 （1）功率密度大；）功率密度大； （2）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转 子磁场提供）；子磁场提供）； （3）效率高（不需要励磁，绕组损耗小）；）效率高（不需要励磁，绕组损耗小）； （4）结构紧凑、体积小、重量轻，维护简）结构紧凑、体积小、重量轻，维护简 单；单； （5）内埋式交直轴电抗不同，产生结构

2、转）内埋式交直轴电抗不同，产生结构转 矩，弱磁性能好，表面贴装式弱磁性矩，弱磁性能好，表面贴装式弱磁性 能较差。能较差。n缺点 （1）价格较高；）价格较高； （2）弱磁能力低；）弱磁能力低； （3）起动困难，高速制动时电势高，给）起动困难，高速制动时电势高，给 逆变器带来一定的风险；逆变器带来一定的风险； （4）他控式同步电机有失步和震荡的可）他控式同步电机有失步和震荡的可 能性。能性。q PMSM和和BLDC电机的特点电机的特点qPMSM和和BLDC电机的应用范围电机的应用范围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、控制精度高体积小、容量小、控制精度高n机床

3、、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、过载能力强起动转矩大、过载能力强n交通运输 电动自行车、电动汽车、混合动力车、电动自行车、电动汽车、混合动力车、 城轨车辆、机车牵引城轨车辆、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电机的应用范围电机的应用范围rrggbbNSACBZYXn模拟结构图qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构 霍尔传感器 定子绕组转子磁铁n实物结构图qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构n定子 定子绕组一般制成多相（三

4、、四、五相不定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差铁心对称分布，在空间互差120度电角度，度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。通入三相交流电时，产生旋转磁场。qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构n转子 转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。提高电机的效率。 qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构

5、nPMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表面贴装式（）表面贴装式（SM-PMSM）直交轴电感直交轴电感Ld和和Lq相同相同气隙较大，弱磁能力小，气隙较大，弱磁能力小，扩速能力受到限制扩速能力受到限制qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构（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，有较好的弱磁能力弱磁能力qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构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 隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动 势亦是交流梯形波势亦是交流梯形波

6、n定子绕组为定子绕组为Y Y或或 联结三相整距绕组联结三相整距绕组n由于气隙较大，故电枢反应很小由于气隙较大，故电枢反应很小 qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构n正弦波永磁同步电机n永磁体表面设计成抛物线，极弧大体为永磁体表面设计成抛物线，极弧大体为 120120度度n定子绕组为短距、分布绕组定子绕组为短距、分布绕组n定子由正弦波脉宽调制（定子由正弦波脉宽调制（SVPWMSVPWM）的电压）的电压型逆变其供电，三相电流为正弦或准正型逆变其供电，三相电流为正弦或准正弦波弦波 qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构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

7、：转子两相坐标系、d、q 为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进 行线性变换，实现电机数学模型的解耦 。qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理：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电机的工作原理电机的工作原理永磁同步

8、电动机在 坐标系中的数学模型可以表达如下：sssjsssiiji定子电流：定子磁链：电磁转矩：32epssssTnii qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作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电机的工作原理电机的工作原理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

9、通120度电角度。导通顺序为（1 1）两两通电方式）两两通电方式qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理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，产生波形如图所示。qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理 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联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图123234345456561612123.VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFV

10、FVF VFVFVF VFVFVF、每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相一次，每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为（2 2）三三通电方式）三三通电方式qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC译码电路H1H2H3Y联结三三通电方式的控制原理图Y联结三三通电方式相电压和线电压波形t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31612VFVFVFqPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作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 Kn

11、BLDC电机稳定运行机械特性方程（3 3）BLDCBLDC电机运行性能和传递函数电机运行性能和传递函数：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电机的工作原理电机的工作原理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电机的工作原理电机的工作原理12( )( )11LeeK

12、Kn sU sTT sT s1221/(375)reTeeTKKKR K KTRGDK K；。12eKKTnBLDC电机传递函数：电动势传递系数，：转矩传递系数，：电磁时间常数，BLDC电动机动态结构图qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理 （1）开环控制：）开环控制：u/f恒定恒定 （2）闭环控制：）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电机的工作原理电机的工作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，从而调节转矩调节转矩 和实现弱磁控制

13、。和实现弱磁控制。FOC中需要测量的量为：定子电流、中需要测量的量为：定子电流、转子位置角转子位置角 dsqsiiq PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略eT1、工作原理n以转子磁场定向以转子磁场定向n系统动态性能好，控制精度高系统动态性能好，控制精度高n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n运行平稳、转矩脉动很小运行平稳、转矩脉动很小2、FOC特点q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略n 控制控制 定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电永磁体磁场空间矢

14、量正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，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围，适用于高性能的数控机床、可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器容量不能充分利用。容量不能充分利用。3、FOC控制方式q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略0di n 控制控制 控制交、直轴电流分量，保持控制交、直轴电流分量，保持PMSMPMSM的功率因数为的功率因数为1 1，在在 条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈

15、条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈现先增加后减小的趋势。现先增加后减小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出的最大转矩较小。的最大转矩较小。n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（最优转矩控也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控制）。制）。 它是凸极它是凸极PMSMPMSM用的较多的一种电流控制策略。当输出用的较多的一种电流控制策略。当输出转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的铜耗。铜耗。q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制

16、策略cos1cos14、坐标变换（1 1）ClarkeClarke（3s/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控制策略控制策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 PM

17、SM电机的电机的FOC控制策略控制策略考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为2 / 3102133221322C111222333022ABCiiiii3223NN3/2111222333022C坐标系变换矩阵：可得q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有302122ABiiii2031162ABiiii0ABCiii于是q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略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 2）ParkPark（2s/2r2s

18、/2r）变换）变换1sFdqii、dqii、dq、ii、( )SsF i1q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略由图可见， 和 之间存在下列关系坐标系变换矩阵：写成矩阵的形式，得ii、dqii、cossinsincosdqdqiiiiii2 /2cossinsincosddrsqqiiiCiii 2 /2cossinsincosrsC2 /2cossinsincossrCq PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略由三组六个开关（ ）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 种可能的开关组合 PWM逆变器模型dUASBSCSASBSCS+-

19、（3 3）电压空间矢量）电压空间矢量,ABCABCSSSSSSASASBSBSCSCS 823q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略若规定三相负载的某一相与“+”极接通时，该相的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通时，为“0”态。则8种可能的开关组合 逆变器7种不同的电压状态：n电压状态“1”至“6”n零电压关状态“0”和“7” q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策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

20、压波形、幅值和电压状态的对应关系图 电压状态和开关状态均以6个状态为一个周期，相电压幅值为两种： 和 2/3dU/3dUq PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略把逆变器的7个输出电压状态放入空间平面内，形成7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔60角度，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形 q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略选定定子坐标系中的 轴与 矢量复平面的实轴 重合，则其三相物理量 的 矢量 为： a( )( )( )abcXtXtX t、( )X tParkPark22( )( )( )( )3abcX tXtXtX t120=je式中 复系

21、数，旋转因子，旋转空间矢量 的某个时刻在某轴线 轴上的投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。( )X tabc、 、q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略若 三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压的空间矢量 的 矢量变换表达式为 2/3/3adbcduuuuu 011abcSPark2 /34 /32( )3jjsabcu tuu eu e对于状态“1” 时；可知abc、 、( )su t则2 /34 /32211(011)()33332233jjsdddjdduuu eu euu eq PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略电压空间矢量的结论： n逆变器六个工作电压状态给出了六个不同

22、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，它们依次沿逆时针方向旋转；n零电压状态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控制策略控制策略5、FOC基本方程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控制策略控制策略说明：交轴电流 和转矩是线性关系，而直轴电流 对

23、转矩没有影响。 如果 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控制策略控制策略6、FOC的组成（1 1）SVPWMSVPWM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。通过精密电阻或电）电流读取模块。通过精密电阻或电 流传感器测量定子电流；流传感器测量定子电流；q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略（3 3）转子速度）转子速度/ /位置反馈模块。采用霍尔位置反馈模块。采用霍

24、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行测量；采用无传感器检测算法进行测量；（4 4）PIDPID控制模块；控制模块；（5 5）ClarkClark、ParkPark及及Reverse ParkReverse Park变换模变换模 块。块。q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略7、FOC原理图q PMSM电机的电机的FOC控制策略控制策略r（1 1）将电流读取模块测量的相电流）将电流读取模块测量的相电流 和和 ， 经过经过ClarkClark变换将其从三相静止坐标系变变换将其从三相静止坐标系变 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坐标系从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系 和和 ；（3 3）转子速度）转子速度/ /位置反馈模块将测量的转子角位置反馈模块将测量的转子角 速度速度 与参考转速与参考转速 进行比较，并通过进行比较，并通过PIPI 调节器产生交轴参考电流调节器产生交轴参