永磁同步电机控制技术.ppt

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1、永磁同步电机控制技术永磁同步电机控制技术北京交通大学电气工程学院北京交通大学电气工程学院林林 飞飞内容提要内容提要概述概述永磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控制矢量控制高速弱磁控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结概述概述交流电机交流电机同步电机同步电机异步电机异步电机p电励磁：直流励磁电励磁：直流励磁p永磁永磁p鼠笼：感应鼠笼：感应p双馈：交流励磁双馈：交流励磁电刷电刷电刷电刷/滑环滑环滑环滑环电刷电刷电刷电刷/滑环滑环滑环滑环概述概述永磁同步电机永磁同步电机高效率高效率高功率密度高功率密度控制相对简单控制相对简单概述概述效率比较效率比较(400kW(

2、400kW牵引电机牵引电机)1.1.绪论绪论德国西门子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%ICE3ICE3原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比概述概述主电路主电路牵引变流器：四象限变流器牵引变流器：四象限变流器+三相逆变器三相逆变器一个逆变器控制一个逆变器控制 一台电机一台电机电机端接触器：电机端接触器：旋转旋转反电势反电势概述概述法国法国TGV-ATGV-A同步电机牵引传动系统同步电机牵引传动系统p

3、开关器件：晶闸管开关器件：晶闸管p电流型变流器电流型变流器p有源逆变方式有源逆变方式概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用阿尔斯通阿尔斯通pAGV：720kW/4500rpmpCitadis:120kW/3600rpm概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用西门子西门子pSyntegra：直驱：直驱概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用庞巴迪庞巴迪pMitrac永磁牵引系统永磁牵引系统p单轨车单轨车斯柯达斯柯达p100%低地板车：低地板车：46kW概述概述永磁牵引系统的主要应用永磁牵引系统的主要应用东日本铁路东日本铁路p103系动车组：直驱系动车组：直驱

4、东芝东芝p东京地铁银座线东京地铁银座线p新干线新干线E954/955日立日立/川崎川崎p16000系地铁系地铁概述概述永磁电机的两种转子结构永磁电机的两种转子结构表面式表面式(SPM):隐极特性隐极特性内置式内置式(IPM):凸极特性凸极特性概述概述控制方法控制方法恒压频比控制恒压频比控制矢量控制矢量控制直接转矩控制直接转矩控制p控制简单控制简单p性能低性能低p不适合牵引传动不适合牵引传动p控制较复杂控制较复杂p性能高性能高p适合牵引传动适合牵引传动p控制复杂控制复杂p性能较高性能较高p应用不多应用不多内容提要内容提要概述概述永磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控制矢量控制高速弱磁

5、控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结数学模型数学模型坐标系与坐标变换坐标系与坐标变换不同坐标系下电机方程不同坐标系下电机方程模型框图模型框图小结小结数学模型数学模型静止与旋转坐标系静止与旋转坐标系三相静止坐标系三相静止坐标系(abc)两相静止坐标系两相静止坐标系(abab0)两相旋转坐标系两相旋转坐标系(dq0)p同一空间矢量在不同坐标系下的投影同一空间矢量在不同坐标系下的投影数学模型数学模型坐标变换坐标变换abc ab0 ab0abab dq0常系数变换常系数变换常系数变换常系数变换时变系数变换时变系数变换时变系数变换时变系数变换q q q q为为为为d d轴轴轴

6、轴与与与与a a a a轴的夹角轴的夹角轴的夹角轴的夹角数学模型数学模型abcabc坐标下电机模型坐标下电机模型电压方程电压方程磁链方程磁链方程数学模型数学模型abcabc坐标下电机模型坐标下电机模型电感方程电感方程p电感参数时变，与转子位置有关电感参数时变，与转子位置有关数学模型数学模型 abab坐标下电机模型坐标下电机模型电压方程电压方程磁链方程磁链方程p对于对于IPM，电感参数仍然时变，电感参数仍然时变数学模型数学模型dqdq坐标下电机模型坐标下电机模型电压方程电压方程磁链方程磁链方程p电感参数为常数电感参数为常数pSPM：Lds=Lqs;IPM:Lds97%电机永磁体磁链1.949Wb

7、600kW600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数内置式永磁同步牵引电机基本参数AnsoftAnsoft流程图流程图c 永磁体单独激励时的磁力线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、直轴电流共同永磁体和交、直轴电流共同激励时的磁力线分布激励时的磁力线分布 p基于Ansoft的电机电感计算600kW600kW电机电感随交轴电流变化图电机电感随交轴电流变化图电感变化对电感变化对电感变化对电感变化对IPMSMIPMSMIPMSMIPMSM控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析控制的影

8、响分析p永磁同步电机转矩闭环控制电感变化对电感变化对电感变化对电感变化对IPMSMIPMSMIPMSMIPMSM控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析控制的影响分析p电感变化对输出转矩影响电磁转矩合成图电磁转矩合成图设计转矩设计转矩实际转矩实际转矩转矩差转矩差励磁转矩励磁转矩磁阻转矩磁阻转矩设计转矩1500Nm直轴电流-99.748A交轴电流164.785A固定电感15.38mH实际电感实际电感10.5655mH实际转矩实际转矩1262.59Nm转矩差237.41Nm百分比15.8%电感变化对电感变化对电感变化对电感变化对IPMSMIPMSMIPMSMIPMSM控制的影响分析控制的影响分析

9、控制的影响分析控制的影响分析p电感变化对MTPA曲线的影响固定电感的固定电感的MTPAMTPA轨迹和轨迹和实际实际电感电感MTPA轨迹轨迹idiqT百分比A-106.4200.71500A-99.748164.7851262.5915.8%B-60.16142.61000B-66.068125899.310.1%矢量控制矢量控制小结小结PMSM矢量控制较简单矢量控制较简单MTPA控制具有较优的效率控制具有较优的效率解耦控制可以明显改善电流环性能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磁链及电感参数的在线辨识内容提要内容提要概述概述永磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控

10、制矢量控制高速弱磁控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结弱磁控制弱磁控制基本原理基本原理PMSMPMSM弱磁区运行弱磁区运行几种弱磁控制方法几种弱磁控制方法弱磁区保护问题探讨弱磁区保护问题探讨小结小结弱磁控制弱磁控制电压与电流限制电压与电流限制电流限制电流限制电压限制电压限制稳态简化稳态简化稳态简化稳态简化弱磁控制弱磁控制电压与电流限制电压与电流限制SPMSPMIPMIPM弱磁控制弱磁控制弱磁转折速度弱磁转折速度空载转折速度空载转折速度负载转折速度负载转折速度弱磁转折速度的影响因素弱磁转折速度的影响因素p直流电压直流电压pPWM调制方式调制方式p电流轨迹达到电压电流轨

11、迹达到电压极限时进入弱磁极限时进入弱磁pdq电流分配方式电流分配方式p永磁体磁链永磁体磁链弱磁控制弱磁控制弱磁转折速度弱磁转折速度弱磁点的判定弱磁点的判定p公式计算法公式计算法p空载转折速度空载转折速度p电流跟踪误差判定法电流跟踪误差判定法p输出电压判定法输出电压判定法弱磁控制弱磁控制PMSMPMSM的运行范围的运行范围OA：MTPA运行区运行区p转矩逐渐增大转矩逐渐增大p最大转矩点最大转矩点SPMSPMIPMIPM弱磁控制弱磁控制PMSMPMSM的运行范围的运行范围AB：弱磁：弱磁 I区区pA点为电压、电流限制圆与点为电压、电流限制圆与MTPA轨迹的交点轨迹的交点pw wrc1为最大转矩下对

12、应的转折速度为最大转矩下对应的转折速度pAB为弱磁为弱磁I区中不同速度下的最大转矩点，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沿电压、电流极限圆的交点运行p随速度上升，最大转矩下降随速度上升，最大转矩下降SPMSPMIPMIPM弱磁控制弱磁控制PMSMPMSM的运行范围的运行范围BC：弱磁：弱磁 II区区pB点后最大转矩点在电流极限圆内，电压极点后最大转矩点在电流极限圆内，电压极限圆上限圆上pBC为弱磁为弱磁II区中不同速度下的最大转矩点区中不同速度下的最大转矩点p随速度上升，最大转矩下降随速度上升，最大转矩下降SPMSPMIPMIPM弱磁控制弱磁控制弱磁时的最优运行点弱磁时的

13、最优运行点给定速度和转矩下，电压极限圆上的运行点给定速度和转矩下，电压极限圆上的运行点电流最小电流最小IPMIPMSPMSPM弱磁控制弱磁控制弱磁时的最优运行点弱磁时的最优运行点转矩不变，速度上升，则转矩不变，速度上升，则id反向增大；反向增大；SPM的的iq不变，不变，IPM的的iq减小。减小。IPMIPMSPMSPM弱磁控制弱磁控制弱磁时的最优运行点弱磁时的最优运行点转速不变，转矩增大，则转速不变，转矩增大，则id反向增大，反向增大，iq增增大。大。IPMIPMSPMSPM弱磁控制弱磁控制现有几种弱磁控制方案现有几种弱磁控制方案双电流环法双电流环法单电流环法单电流环法电压相位法电压相位法弱

14、磁控制弱磁控制双电流环法双电流环法沿用非弱磁区的控制结构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根据转速和转矩确定电流分配方案电流环电流环PI的改进的改进弱磁控制弱磁控制直接计算法直接计算法p根据转速和转矩判定弱磁转折点；根据转速和转矩判定弱磁转折点；p弱磁前后均通过公式计算电流优化运行点；弱磁前后均通过公式计算电流优化运行点；p计算量大，参数依赖性强。计算量大，参数依赖性强。弱磁控制弱磁控制电压校正法电压校正法p根据电压饱和自动进入弱磁区；根据电压饱和自动进入弱磁区；p利用电压误差校正利用电压误差校正d轴电流指令；轴电流指令；p构造构造q轴电流的校正规律。轴电流的校正规律。弱磁控

15、制弱磁控制双电流环法双电流环法沿用非弱磁区的控制结构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根据转速和转矩确定电流分配方案电流环电流环PI的改进的改进p电流调节器极易饱和；电流调节器极易饱和；p弱磁区电流动态响应慢；弱磁区电流动态响应慢；p常偏离最优点运行。常偏离最优点运行。弱磁控制弱磁控制现有几种弱磁控制方案现有几种弱磁控制方案双电流环法双电流环法单电流环法单电流环法电压相位法电压相位法电压幅值不能调节，只有相位一个控制量电压幅值不能调节，只有相位一个控制量电压幅值不能调节，只有相位一个控制量电压幅值不能调节，只有相位一个控制量弱磁控制弱磁控制单电流环法单电流环法直接给定直接给定

16、q轴电压轴电压通过通过d轴电流进行调速轴电流进行调速弱磁控制弱磁控制原理分析原理分析p小信号模型小信号模型pq轴电压固定轴电压固定p利用了高速区的强耦合性利用了高速区的强耦合性弱磁控制弱磁控制运行点运行点pF点固定点固定p运行在由运行在由EF确定的确定的直线上直线上pE点随速度升高向点随速度升高向C点靠近点靠近p给定速度和转矩下，运行点给定速度和转矩下，运行点S2偏离最优点偏离最优点S1p带载能力下降带载能力下降弱磁控制弱磁控制运行过程运行过程沿沿EF直线迅速由直线迅速由S1点运行到点运行到S2点点p同一转速，不同负载同一转速，不同负载p同一负载，不同转速同一负载，不同转速由由S1点运行到点运

17、行到S2点点弱磁控制弱磁控制q q轴电压在线调整轴电压在线调整接近最优运行点接近最优运行点增加带载能力增加带载能力弱磁控制弱磁控制现有几种弱磁控制方案现有几种弱磁控制方案双电流环法双电流环法单电流环法单电流环法电压相位法电压相位法电压幅值不能调节，只有相位一个控制量电压幅值不能调节，只有相位一个控制量电压幅值不能调节，只有相位一个控制量电压幅值不能调节，只有相位一个控制量弱磁控制弱磁控制电压相位法电压相位法电压幅值固定，调节电压相位电压幅值固定，调节电压相位p电压相位与转矩间为强非线性关系电压相位与转矩间为强非线性关系p控制器不易设计控制器不易设计弱磁控制弱磁控制几种弱磁控制方案对比几种弱磁控

18、制方案对比电压相位法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弱磁控制弱磁控制弱磁区保护问题探讨弱磁区保护问题探讨弱磁区发生过流等保护弱磁区发生过流等保护不能采用封锁驱动脉冲的方式不能采用封锁驱动脉冲的方式电机端三相短路，保护逆变器电机端三相短路，保护逆变器电机端加装接触器电机端加装接触器弱磁控制弱磁控制高速惰行问题高速惰行问题q轴电流为轴电流为0，d轴电流维持弱磁轴电流维持弱磁惰行时接触器断开惰行时接触器断开p效率低效率低p无需切换无需切换p效率高效率高p进出惰行区需特殊控制进出惰行区需特殊控制弱

19、磁控制弱磁控制小结小结电压限制造成需弱磁，电压限制造成需弱磁，反向反向d轴电轴电流可弱磁流可弱磁弱磁区运行在电压极限上较优弱磁区运行在电压极限上较优几种弱磁方法各有特点几种弱磁方法各有特点内容提要内容提要概述概述永磁永磁同步电机的数学模型同步电机的数学模型矢量控制矢量控制高速弱磁控制方法高速弱磁控制方法无位置传感器控制无位置传感器控制总结总结无位置传感器控制无位置传感器控制开环估计法开环估计法闭环观测器法闭环观测器法高频信号注入法高频信号注入法带速重投问题带速重投问题小结小结无位置传感器控制无位置传感器控制开环估计法开环估计法静止坐标系下电机方程静止坐标系下电机方程p电压方程电压方程p磁链方程

20、磁链方程无位置传感器控制无位置传感器控制开环估计法开环估计法定子磁链估计定子磁链估计转子磁链估计转子磁链估计转子角度估计转子角度估计无位置传感器控制无位置传感器控制开环估计法开环估计法纯积分的改进纯积分的改进简单直接，动态响应快简单直接，动态响应快估计精度依赖于参数准确性估计精度依赖于参数准确性不适用于低速不适用于低速无位置传感器控制无位置传感器控制闭环观测器法闭环观测器法静止坐标系下的电机方程静止坐标系下的电机方程无位置传感器控制无位置传感器控制闭环观测器法闭环观测器法状态观测器状态观测器原方程原方程原方程原方程观测器观测器观测器观测器无位置传感器控制无位置传感器控制状态观测器框图状态观测器

21、框图无位置传感器控制无位置传感器控制闭环观测器法闭环观测器法引入闭环校正环节引入闭环校正环节参数鲁棒性高参数鲁棒性高观测器收敛性问题观测器收敛性问题不适用于低速不适用于低速无位置传感器控制无位置传感器控制高频信号注入法高频信号注入法电机凸极效应电机凸极效应p电感随转子位置角度而变化电感随转子位置角度而变化p注入高频电压信号后，电流中包含位置信息注入高频电压信号后，电流中包含位置信息无位置传感器控制无位置传感器控制电机凸极效应电机凸极效应p电机静止在电机静止在0位置时，注入高频电压位置时，注入高频电压的电流响应的电流响应无位置传感器控制无位置传感器控制电机凸极效应电机凸极效应p电机旋转时，注入高

22、频电压的电流响应电机旋转时，注入高频电压的电流响应p基波电压与反电势作用产生基波电流，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高频电压产生含有位置信息的高频电流无位置传感器控制无位置传感器控制高频信号注入法流程框图高频信号注入法流程框图电流电流电流电流基波分量基波分量基波分量基波分量高频分量高频分量高频分量高频分量高频正序分量高频正序分量高频正序分量高频正序分量高频负序分量高频负序分量高频负序分量高频负序分量转子位置转子位置转子位置转子位置信息信息信息信息无位置传感器控制无位置传感器控制高频信号注入法实验结果高频信号注入法实验结果实测角度与观测角度实测角度与观测角度

23、实测角度与观测角度实测角度与观测角度电流波形电流波形电流波形电流波形无位置传感器控制无位置传感器控制小结小结观测器法与高频信号注入法需结合使用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高频信号注入法适用于低速观测器法适用于中高速观测器法适用于中高速无位置传感器控制无位置传感器控制高频信号注入法高频信号注入法需要电机具有较强的凸极效应需要电机具有较强的凸极效应信号处理复杂，计算量大信号处理复杂，计算量大参数鲁棒性强参数鲁棒性强适用于低速适用于低速无位置传感器控制无位置传感器控制带速重投问题带速重投问题电机中速运行电机中速运行电机定子无电流电机定子无电流惰行后重新投入运行惰行后重新

24、投入运行无位置传感器控制无位置传感器控制短路电流法短路电流法基本流程基本流程p初始状态：电机旋转，电流为零初始状态：电机旋转，电流为零p逆变器三相上管逆变器三相上管(或下管或下管)导通，造成电导通，造成电机三相短路，持续短时间机三相短路，持续短时间Ts，检测短，检测短路电流路电流p间隔间隔T时刻后，重复上述过程时刻后，重复上述过程p利用两次短路电流值计算电机速度及位利用两次短路电流值计算电机速度及位置置无位置传感器控制无位置传感器控制基本原理基本原理p电机方程电机方程短短短短路路路路简简简简化化化化无位置传感器控制无位置传感器控制p短路电流短路电流p转速估计转速估计无位置传感器控制无位置传感器

25、控制p位置估计位置估计实验条件：电机空载，惰行前转速为1000rpm；惰行时间为125ms，分别在距惰行起始点0.04s处与0.055s处短路，短路持续时间1ms，短路完成后继续惰行19ms再重投。惰行前后用有效磁链法，在惰行区间内采用短路电流法。0.52.55rpm20rpm530rpm845rpm无传感器控制下的电机带速重投实验总结总结永磁同步电机适宜采用矢量控制永磁同步电机适宜采用矢量控制控制采用旋转坐标系，观测采用静控制采用旋转坐标系，观测采用静止坐标系止坐标系dqdq电流可灵活分配，通常采用电流可灵活分配，通常采用MTPAMTPA电流解耦控制可提高控制性能电流解耦控制可提高控制性能高速区需利用反向高速区需利用反向d d轴电流弱磁轴电流弱磁总结总结弱磁方法中单电流环法和电压相位弱磁方法中单电流环法和电压相位法更有优势法更有优势采用观测器法与高频注入法相结合，采用观测器法与高频注入法相结合，可实现宽速度范围内的无位置传感可实现宽速度范围内的无位置传感器控制器控制总结总结研究课题研究课题永磁牵引传动永磁牵引传动系统系统高速弱磁控制高速弱磁控制永磁同步电机的无拍频控制永磁同步电机的无拍频控制失磁监测与保护失磁监测与保护主电路简化主电路简化谢谢 谢谢!欢迎提问欢迎提问!