电机驱动系统精.ppt

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1、电机驱动系统第1页，本讲稿共48页主要内容1、概述2、四种常用电机及控制系统3、存在的问题与研究方向第2页，本讲稿共48页一、电机控制系统的构成 功率变换器电池控制电路电动机控制器第3页，本讲稿共48页电动机控制器第4页，本讲稿共48页交流电机控制器控制电路主电路第5页，本讲稿共48页控制器中的CPU主控制板第6页，本讲稿共48页二、电动汽车对电机控制系统的要求 1、优良的转矩控制性能；2、宽广的调速范围；3、宽范围的高效率运行区域；4、高功率密度；5.优良的环境适应性和环保性；6.高可靠性；7.有竞争力的价格。第7页，本讲稿共48页三、电动汽车电机控制系统的主要类型 直流电机控制系统；无刷直

2、流电机控制系统；异步电机控制系统；开关磁阻电机控制系统。第8页，本讲稿共48页 电机 性能直流电机永磁同步电机异步电机开关磁阻电机最大效率（）858995979495 90 效率（10负载）8087909279857886最高转速（rpm)4000600040001000090001500015000电机费用/kW($)101015812610控制器成本12.53.54.5坚固性良良优良信赖性普通良优良表.1 各种电机的特性比较（摘自日本电气学会技术报告）第9页，本讲稿共48页永磁同步电机 异步电机适性容量数十W数十kW数百W以上尺寸、重量小 中小 结构相当简单 非常简单 环境适应性相当好 非

3、常好 维护有点必要 不要 生产性好 非常好 位置传感器要 不要 速度传感器不要 要 表2 永磁同步电机与异步电机的特性比较第10页，本讲稿共48页表2 永磁同步电机与异步电机的特性比较(续）永磁同步电机 异步电机寿命轴寿命轴寿命弱磁高速困难 可能 回馈制动容易 可以 永久失磁有 无 温度特性无 有 控制器控制一台 控制多台 第11页，本讲稿共48页四、直流电机及其控制系统1.直流电机的结构 和原理（并联）IfMnIf 特点：1、励磁电流和电枢 电流可分别控制，转矩控制性能好。2、控制简单。第12页，本讲稿共48页2.直流电机功率控制器斩波器 T2、D1电动运行；T1、D2 制动运行。ECT1T

4、2MD1D2斩波器主电路第13页，本讲稿共48页3.斩波器的PWM控制nMn1n2MZM1*(Ia1*)ABM2*(Ia2*)0控制框图调速原理第14页，本讲稿共48页4.直流电机及其控制系统的优缺点 优点：1.直流电机转矩控制性能优良。2.控制简单，回馈控制容易。3.功率变换器结构简单，使用功率器件少。4.控制器效率高；功率密度高。5.控制器体积小，重量轻。6.控制器价格便宜。缺点：1.由于机械换向器和电刷的存在导致的缺点：电机转速低、体积大；需要维护；成本高。第15页，本讲稿共48页五、交流电机及其控制系统1.交流电机的主要类型交流电机1.同步电机2.异步电机（感应电机）转子永磁转子励磁永

5、磁同步电机 (自控式）无刷直流电机转子绕线式转子笼型第16页，本讲稿共48页2.交流电机的定子结构三相电枢绕组第17页，本讲稿共48页3.三相交流电机功率变换器主电路构成功率变换器主电路交流电机电枢绕组第18页，本讲稿共48页六、无刷直流电机控制系统转子位置 传感器 永磁同步电机三相功率 变换器控制电路自控式永磁 同步电机控制器1.系统构成第19页，本讲稿共48页2.无刷直流电机与永磁同步电机差别t20B0(e0)永磁同步电机无刷直流电机一对极下不同的气隙磁密分布图第20页，本讲稿共48页3.无刷直流电机工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0 有6个定子空

6、间磁势。根据转子位置传感器检 测到的转子位置和要求 转向来决定产生哪一个 磁势。产生的平均转矩最大。第21页，本讲稿共48页 定子磁势拉转子磁势旋转，为了使平均转矩最大。两者的平均空间电角度为900。SNF0nFABFAC60o60o第22页，本讲稿共48页4.无刷直流电机控制框图-A+2iaibiciaibicIREFPIPWM逻辑变换PS+A+B+C-B-CIFPosition Sensor三相反馈电流输出6路驱动信号第23页，本讲稿共48页PS逻辑变换+A-A+B-B+C-CPWM 输入电动“1”回馈制动“0”+a-a+b-b+c-c驱动信号 输出5.无刷直流电机的电动、回馈制动控制逻辑

7、控制转子位置 传感器第24页，本讲稿共48页6.无刷直流电机及其控制系统的优缺点 优点：1.具有直流电机的控制特性。2.控制相对简单。3.电机效率高，体积小。缺点：1.由于永磁材料贵，电机价格较贵。2.过热容易导致永久性失磁。3.弱磁运行较困难。4.需要转子位置传感器。第25页，本讲稿共48页七、异步电机及其控制系统1.异步电机变频调速原理 转子绕组中的电压、电流靠感应产生。正常运行时，电机转速接近旋转磁场转速。0AB不同频率下的异步电机机械特性第26页，本讲稿共48页2.变频调速的主要控制方法基于稳态的控制 变压变频控制（Variable Voltage Variable Frequency

8、)简称VVVF控制；脉宽调节控制（Pulse Width Modulation)简称PWM控制。1.SPWM;2.电压空间矢量PWM；3.优化PWM;4.随机PWM;5.第27页，本讲稿共48页基于动态的控制：高性能的控制方法 转子磁场定向矢量控制（等效直流电机控制）（20世纪70年代，由德国西门子公司的F.Blaschke提出。）1.直接矢量控制；2.间接矢量控制。直接转矩控制 直接对转矩和磁链闭环控制。（1985年德国学者 M.Depenbrock 首次提出。）第28页，本讲稿共48页3.异步电机滑差频率控制框图s*r*P IFG+rs*r+1I1*cos1tcos(1t-120o)cos

9、(1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驱动信号产生a-ab-bc-cI1=f(s)+基本原理：在机械特性的线性段，电磁转矩 正比于滑差频率。函数发生器第29页，本讲稿共48页TM2+I1TI1MI2TI2M1(a)直流电机 模型2I1MI1TI2TI1F0F2F1(b)电流、磁势向量图4.异步电机矢量控制矢量控制原理 经3/2变化、旋转变换后，异步电机变成了直流电机模型。将M-T坐标的M轴定在异步电机转子磁链的方向上，可得 到最简单的方程形式。第30页，本讲稿共48页转子磁链方程转子电压方程稳态时所以 等效直流机模型的方程第31页，本讲稿共

10、48页转矩控制如何实现？和和和其中 矢量控制思路 最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现。第32页，本讲稿共48页5.异步电机直接转矩控制 控制原理：通过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间 矢量理论来计算电机的磁链和转矩。给定的磁链和转矩分别与计算值比较，对差值 进行滞环调节（也称砰砰控制）。再根据定子磁链的空间位置、磁链与转矩的调 节结果，来确定逆变器的开关信号。第33页，本讲稿共48页逆变器IM3/23/2idiquduq观察器qdT计算DTT1计算D1+N+开关表6*Ud+*1T1r 速度传感器 直接转矩控制框图第34页，本讲稿共48页直接转矩控制的优缺点 优点：1.电机模型在定子坐标

11、系下，只需3/2变换。2.观测的是定子磁链，受电机参数影响小。3.强调对转矩的直接控制，所以转矩响应迅速。缺点：1.低速时的转矩脉动。2.由于没有电流闭环，容易产生过流。第35页，本讲稿共48页八、开关磁阻电机控制系统6/4极的开关磁阻电动机1.开关磁阻电机结构 定、转子为结构双凸结构。定、转子齿满足错位原理，即错开1/m转子齿距。通电一周，转过一个转子齿。需要转子位置传感器。第36页，本讲稿共48页 开关磁阻电机的 转矩瞬时值正比于 电流的平方，也正比于电感对转 子位置角的变化率。2.开关磁阻电动机工作原理转矩：靠磁通收缩产生转矩第37页，本讲稿共48页AXBYCZ1234563.开关磁阻电

12、机功率变换器主电路A相第38页，本讲稿共48页4.开关磁阻电机及其控制系统的优缺点主要优点：1.电机结构简单，制造容易。2.控制相对简单。3.控制器主电路不会出现直通现象。缺点：1.起动时的噪声脉动转矩较大。2.需要转子位置传感器。第39页，本讲稿共48页九、电机及其控制系统的主要研究方向 电机与控制器一体化的优化设计研究电机设计要考虑逆变器供电的特点：du/dt,谐波。逆变器设计要考虑电动汽车电机的特点：大过载。安装空间有限，运行环境恶劣。新的控制策略研究更理想的转矩控制性能；更低的输出谐波含量，更低的电机谐波损耗。第40页，本讲稿共48页 高频软开关应用技术研究用高频减小低速下的转矩脉动电

13、磁噪声；用软开关解决功率开关器件的开关损耗，减小电磁干扰。电机的新材料、新结构、新工艺例如：永磁材料、非晶铁心、多极高频电机。数字化控制技术和网络化通讯技术研究 系统的电磁兼容技术研究第41页，本讲稿共48页十、一点国外的研究动态 尽管交流电机驱动是主流，每一种电机驱动 系统都有其生存的空间，并都在研究与发展。减小电刷压降。提高效率；减少维护。取代高成本的逆变器和DC/D变换器用于大功率低压直流电机，用廉价的斩波器1、先进的电刷技术第42页，本讲稿共48页2、软换向技术 换向能量回收；不要换向极；无换向火花；长寿命。3、高效率、低价格异步电机 转子采用铜导条、铝端环第43页，本讲稿共48页先进电刷直流电机第44页，本讲稿共48页 软换向直流电机第45页，本讲稿共48页高效异步电机：转子为铜条和铝环。低成本的生产工艺。第46页，本讲稿共48页电机及其控制系统追求的目标：1、高性能；2、高可靠；3、低成本。实现产业化！第47页，本讲稿共48页谢 谢 大 家第48页，本讲稿共48页