永磁同步电机控制技术

永磁同步电机控制技术第1页/共106页内容提要概述永磁同步电机的数学模型矢量控制高速弱磁控制方法无位置传感器控制总结2第2页/共106页概述交流电机同步电机异步电机3电励磁：直流励磁永磁鼠笼：感应双馈：交流励磁电刷/滑环电刷/滑环第3页/共106页概述永磁同步电机高效率高功率密度控制相对简单4第4页/共106页概述效率比较(400kW牵引电机)5第5页/共106页6绪论

德国西门子参数异步电动机永磁同步电动机额定功率500kW500kW传动比1:2.79——电机质量750kg400kg电机最大效率94.5%96.5%传动齿轮效率97%——总效率91.5%96.5%ICE3原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比第6页/共106页概述主电路牵引变流器：四象限变流器+三相逆变器一个逆变器控制

一台电机电机端接触器：

旋转→反电势7第7页/共106页概述法国TGV-A同步电机牵引传动系统8开关器件：晶闸管电流型变流器有源逆变方式第8页/共106页概述永磁牵引系统的主要应用阿尔斯通9AGV：720kW/4500rpmCitadis:120kW/3600rpm第9页/共106页概述永磁牵引系统的主要应用10西门子Syntegra：直驱第10页/共106页概述永磁牵引系统的主要应用庞巴迪11Mitrac永磁牵引系统单轨车斯柯达100%低地板车：46kW第11页/共106页概述永磁牵引系统的主要应用东日本铁路12103系动车组：直驱东芝东京地铁银座线新干线E954/955日立/川崎16000系地铁第12页/共106页概述永磁电机的两种转子结构表面式(SPM):隐极特性内置式(IPM):凸极特性13第13页/共106页概述控制方法恒压频比控制矢量控制直接转矩控制14控制简单性能低不适合牵引传动控制较复杂性能高适合牵引传动控制复杂性能较高应用不多第14页/共106页内容提要概述永磁同步电机的数学模型矢量控制高速弱磁控制方法无位置传感器控制总结15第15页/共106页数学模型坐标系与坐标变换不同坐标系下电机方程模型框图小结16第16页/共106页数学模型静止与旋转坐标系三相静止坐标系(abc)两相静止坐标系(ab0)两相旋转坐标系(dq0)17同一空间矢量在不同坐标系下的投影第17页/共106页数学模型坐标变换abc→ab0ab→dq018常系数变换时变系数变换q为d轴与a轴的夹角第18页/共106页数学模型abc坐标下电机模型电压方程磁链方程19第19页/共106页数学模型abc坐标下电机模型电感方程电感参数时变，与转子位置有关20第20页/共106页数学模型

ab坐标下电机模型电压方程磁链方程对于IPM，电感参数仍然时变21第21页/共106页数学模型dq坐标下电机模型电压方程磁链方程电感参数为常数SPM：Lds=Lqs;IPM:Lds<Lqs各电气量由交流量变为直流量22d轴与转子N极轴线重合第22页/共106页数学模型转矩方程SPMIPM23励磁转矩磁阻转矩第23页/共106页数学模型状态方程24系统输入：dq轴电压状态变量：dq轴电流、转速电流方程第24页/共106页数学模型PMSM模型框图25第25页/共106页数学模型PMSM模型框图定子电压定子电流电磁转矩转速26快过程慢过程第26页/共106页数学模型小结27同步旋转坐标系下(dq)模型最简单旋转坐标变换需要转子位置信息IPM的转矩有励磁和磁阻转矩两部分电流方程中存在耦合和非线性第27页/共106页内容提要概述永磁同步电机的数学模型矢量控制高速弱磁控制方法无位置传感器控制总结28第28页/共106页矢量控制基本原理最大转矩电流比控制电流解耦控制小结29第29页/共106页矢量控制矢量控制基本原理转速指令转矩控制系统模型：双环结构电机模型转矩指令电流指令定子电压定子电流转速30第30页/共106页矢量控制常规矢量控制框图31第31页/共106页矢量控制PMSM与IM矢量控制32永磁同步电机异步电机转子位置测量需要不需要磁链观测不需要需要磁链控制弱磁时需要需要参数鲁棒性高低转矩控制性能高较高第32页/共106页矢量控制两种电流分配方案33ids=0控制最大转矩电流比控制(MTPA)电流一定时转矩最大转矩一定时电流最小dq电流的优化分配第33页/共106页矢量控制34ids=0控制第34页/共106页矢量控制35ids=0控制适用于SPM;对IPM则未能利用磁阻转矩转矩响应速度快控制简单第35页/共106页矢量控制36MTPA目标：确定dq轴电流的分配，使得给定转矩下定子电流幅值最小。对SPM，即ids=0控制。对IPM，需求解数学优化问题。第36页/共106页矢量控制37IPM-MTPA问题Min

Sj.拉格朗日函数

求解：

结果：dq电流关系

第37页/共106页矢量控制38IPM-MTPA控制方案一

1.实时计算2.离线查表第38页/共106页矢量控制39IPM-MTPA控制方案二

第39页/共106页矢量控制电流解耦控制40反馈解耦电机模型电流控制器1.交叉影响2.PI参数设计困难第40页/共106页矢量控制电流解耦控制41双PI解耦电机模型电流控制器第41页/共106页矢量控制42参数灵敏度分析反馈解耦对电感参数灵敏度双PI解耦对电感参数灵敏度存在电感误差时反馈解耦电流动态波形存在电感误差时双PI解耦动态波形第42页/共106页矢量控制两种解耦方法对比43反馈解耦双PI解耦理想情况下解耦效果好好电感参数鲁棒性低高永磁体磁链参数鲁棒性低复杂，调试工作较繁琐实现难度简单高第43页/共106页永磁同步电机交直轴磁路44（a）直轴磁路（b）交轴磁路

第44页/共106页基于Ansoft的电机电感计算45设计参数值设计参数值额定功率600kW定子外径510mm额定电压2730V转子外径290mm额定电流143.882A铁心长度225mm电机极对数3定子槽数54相数3永磁体材料NdFe38EH电机效率>97%电机永磁体磁链1.949Wb600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数Ansoft流程图c永磁体单独激励时的磁力线a直轴电流单独激励时的磁力线b交轴电流单独激励时的磁力线d永磁体和交、直轴电流共同激励时的磁力线分布

第45页/共106页基于Ansoft的电机电感计算46600kW电机电感随交轴电流变化图第46页/共106页电感变化对IPMSM控制的影响分析

永磁同步电机转矩闭环控制47第47页/共106页电感变化对IPMSM控制的影响分析

电感变化对输出转矩影响48电磁转矩合成图设计转矩实际转矩转矩差励磁转矩磁阻转矩设计转矩1500N·m直轴电流-99.748A交轴电流164.785A固定电感15.38mH实际电感10.5655mH实际转矩1262.59N·m转矩差237.41N·m百分比15.8%第48页/共106页电感变化对IPMSM控制的影响分析

电感变化对MTPA曲线的影响49固定电感的MTPA轨迹和实际电感MTPA'轨迹

idiqT百分比A'-106.4200.71500A-99.748164.7851262.5915.8%B'-60.16142.61000B-66.068125899.310.1%第49页/共106页矢量控制小结50PMSM矢量控制较简单MTPA控制具有较优的效率解耦控制可以明显改善电流环性能磁链及电感参数的在线辨识第50页/共106页内容提要概述永磁同步电机的数学模型矢量控制高速弱磁控制方法无位置传感器控制总结51第51页/共106页弱磁控制基本原理PMSM弱磁区运行几种弱磁控制方法弱磁区保护问题探讨小结52第52页/共106页弱磁控制电压与电流限制53电流限制电压限制稳态简化第53页/共106页弱磁控制电压与电流限制54SPMIPM第54页/共106页弱磁控制弱磁转折速度55空载转折速度负载转折速度弱磁转折速度的影响因素直流电压PWM调制方式电流轨迹达到电压极限时进入弱磁dq电流分配方式永磁体磁链第55页/共106页弱磁控制弱磁转折速度56弱磁点的判定公式计算法空载转折速度电流跟踪误差判定法输出电压判定法第56页/共106页弱磁控制PMSM的运行范围57OA：MTPA运行区转矩逐渐增大最大转矩点SPMIPM第57页/共106页弱磁控制PMSM的运行范围58AB：弱磁I区A点为电压、电流限制圆与MTPA轨迹的交点wrc1为最大转矩下对应的转折速度AB为弱磁I区中不同速度下的最大转矩点，沿电压、电流极限圆的交点运行随速度上升，最大转矩下降SPMIPM第58页/共106页弱磁控制PMSM的运行范围59BC：弱磁II区B点后最大转矩点在电流极限圆内，电压极限圆上BC为弱磁II区中不同速度下的最大转矩点随速度上升，最大转矩下降SPMIPM第59页/共106页弱磁控制弱磁时的最优运行点60给定速度和转矩下，电压极限圆上的运行点电流最小IPMSPM第60页/共106页弱磁控制弱磁时的最优运行点61转矩不变，速度上升，则id反向增大；SPM的iq不变，IPM的iq减小。IPMSPM第61页/共106页弱磁控制弱磁时的最优运行点62转速不变，转矩增大，则id反向增大，iq增大。IPMSPM第62页/共106页弱磁控制现有几种弱磁控制方案63双电流环法单电流环法电压相位法第63页/共106页弱磁控制双电流环法64沿用非弱磁区的控制结构根据转速和转矩确定电流分配方案电流环PI的改进第64页/共106页弱磁控制65直接计算法根据转速和转矩判定弱磁转折点；弱磁前后均通过公式计算电流优化运行点；计算量大，参数依赖性强。第65页/共106页弱磁控制66电压校正法根据电压饱和自动进入弱磁区；利用电压误差校正d轴电流指令；构造q轴电流的校正规律。第66页/共106页弱磁控制双电流环法67沿用非弱磁区的控制结构根据转速和转矩确定电流分配方案电流环PI的改进电流调节器极易饱和；弱磁区电流动态响应慢；常偏离最优点运行。第67页/共106页弱磁控制现有几种弱磁控制方案68双电流环法单电流环法电压相位法电压幅值不能调节，只有相位一个控制量第68页/共106页弱磁控制单电流环法69直接给定q轴电压通过d轴电流进行调速第69页/共106页弱磁控制70原理分析小信号模型q轴电压固定利用了高速区的强耦合性第70页/共106页弱磁控制71运行点F点固定运行在由EF确定的直线上E点随速度升高向C点靠近给定速度和转矩下，运行点S2偏离最优点S1带载能力下降第71页/共106页弱磁控制72运行过程沿EF直线迅速由S1点运行到S2点同一转速，不同负载同一负载，不同转速由S1点运行到S2点第72页/共106页弱磁控制q轴电压在线调整73接近最优运行点增加带载能力第73页/共106页弱磁控制现有几种弱磁控制方案74双电流环法单电流环法电压相位法电压幅值不能调节，只有相位一个控制量第74页/共106页弱磁控制电压相位法75电压幅值固定，调节电压相位电压相位与转矩间为强非线性关系控制器不易设计第75页/共106页弱磁控制几种弱磁控制方案对比76电压相位法双电流环单电流环是否最优运行点实际有偏差有偏差动态响应慢快参数鲁棒性低简单实现难度复杂高电压相位是较慢较简单高是否有电流环有有无第76页/共106页弱磁控制弱磁区保护问题探讨77弱磁区发生过流等保护不能采用封锁驱动脉冲的方式电机端三相短路，保护逆变器电机端加装接触器第77页/共106页弱磁控制高速惰行问题78q轴电流为0，d轴电流维持弱磁惰行时接触器断开效率低无需切换效率高进出惰行区需特殊控制第78页/共106页弱磁控制小结79电压限制造成需弱磁，反向d轴电流可弱磁弱磁区运行在电压极限上较优几种弱磁方法各有特点第79页/共106页内容提要概述永磁同步电机的数学模型矢量控制高速弱磁控制方法无位置传感器控制总结80第80页/共106页无位置传感器控制开环估计法81闭环观测器法高频信号注入法带速重投问题小结第81页/共106页无位置传感器控制开环估计法82静止坐标系下电机方程电压方程磁链方程第82页/共106页无位置传感器控制开环估计法83定子磁链估计转子磁链估计转子角度估计第83页/共106页无位置传感器控制开环估计法84纯积分的改进简单直接，动态响应快估计精度依赖于参数准确性不适用于低速第84页/共106页无位置传感器控制闭环观测器法85静止坐标系下的电机方程第85页/共106页无位置传感器控制闭环观测器法86状态观测器原方程观测器第86页/共106页无位置传感器控制87状态观测器框图第87页/共106页无位置传感器控制闭环观测器法88引入闭环校正环节参数鲁棒性高观测器收敛性问题不适用于低速第88页/共106页无位置传感器控制高频信号注入法89电机凸极效应电感随转子位置角度而变化注入高频电压信号后，电流中包含位置信息第89页/共106页无位置传感器控制90电机凸极效应电机静止在0°位置时，注入高频电压的电流响应第90页/共106页无位置传感器控制91电机凸极效应电机旋转时，注入高频电压的电流响应基波电压与反电势作用产生基波电流，高频电压产生含有位置信息的高频电流第91页/共106页无位置传感器控制92高频信号注入法流程框图电流基波分量高频分量高频正序分量高频负序分量转子位置信息第92页/共106页无位置传感器控制93高频信号注入法实验结果实测角度与观测角度电流波形第93页/共106页无位置传感器控制小结94观测器法与高频信号注入法需结合使用高频信号注入法适用于低速观测器法适用于中高速第94页/共106页无位置传感器控制高频信号注入法95需要电机具有较强的凸极效应信号处理复杂，计算量大参数鲁棒性强适用于低速第95页/共106页无位置传感器控制带速重投问题96电机中速运行电机定子无电流