永磁同步电机工作原理及其控制策略优秀PPT.ppt

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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电机的限制策略nPMSM电机的FOC限制策略q PMSM和和BLDC电机的特点电机的特点n优点 （1）功率密度大；（2）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转 子磁场供应）；（3）效率高（不须要励磁，绕组损耗小）；（4）结构紧凑、体积小、重量轻，维护简 单；（5）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 能较差。n缺点 （1）价格较高；（2）弱磁实力低；（3）起动困难，高速制动时电势高，给 逆变器带来确定的风险

2、；（4）他控式同步电机有失步和震荡的可 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、限制精度高n机床、机器人等数控系统 快快速速性性好好、定定位位（速速度度和和位位置置）精精度度高高、起动转矩大、过载实力强起动转矩大、过载实力强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

3、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、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，通入三相沟通电时，产生旋转磁场。qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构n转子 转子接受永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。接受永磁体简化了电机的 结构，提高了牢靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构nPMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表

4、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，弱磁实力小，气隙较大，弱磁实力小，扩速实力受到限制扩速实力受到限制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，有较好的弱磁实力弱磁实力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n 隙隙磁磁场场呈呈梯梯形形波波分分布布，线线圈圈内内感感应应电电动动n 势亦是沟通梯形波势亦是沟通梯形波n定子绕组为定子绕组为Y Y或或 联结三相整

5、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n 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 120 120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定定子子由由正正弦弦波波脉脉宽宽调调制制（SVPWMSVPWM）的的电电压压型型逆逆变变其其供供电电，三三相相电电流流为为正正弦弦或或准准正正弦波弦波 qPMSM和和BLDC电机的结构电机的结构nPMSM的数学模型：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 为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换

6、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：电机转矩角假设：1)忽视电动机铁心的饱和；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：定子电压：定子磁链：电磁转矩：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 坐标系中的数学模型可以表达如下：定子电流：定子磁链：电磁转矩：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

7、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：qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理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。导通依次为（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电机限制方式全控桥两两通电电路原理图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a)导通时合成转矩b)导通是合成转矩c)两两通电时合成转矩Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相

8、一次，每个功率开关导通180度电角度。导通依次为（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Y联结三三通电方式的限制原理图Y联结三三通电方式相电压和线电压波形qPMSM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a)导通时合成转矩b)导通是合成转矩c)三三通电时合成转矩 nBLDC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（）。qPMSM

9、和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理nBLDC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）qPMSM和和BLDC电机的工作原理电机的工作原理nBLDC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）开环限制：u/f恒定 （2）闭环限制：n矢量限制 （70年头）n干脆转矩限制（80年头）n永磁同步电机限制方式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

10、 ，从而，从而调整转矩调整转矩 和实现弱磁限制。和实现弱磁限制。FOC中须要测量的量为：定子电流、中须要测量的量为：定子电流、转子位置角转子位置角 q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略1、工作原理以转子磁场定向以转子磁场定向系统动态性能好，限制精度高系统动态性能好，限制精度高限制简洁、具有直流电机的调速性能限制简洁、具有直流电机的调速性能运行平稳、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限制策略限制策略 限制限制 定定子子电电流流中中只只有有交交轴轴重重量量，且且定定子子磁磁动动势势空空间间矢矢量量与与永永磁磁体体磁磁场场空空间间矢矢量量正正交交

11、，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。其其性性能能类类似似于于直直流流电电机机，限限制制系系统统简简洁洁，转转矩矩性性能能好好，可可以以获获得得很很宽宽的的调调速速范范围围，适适用用于于高高性性能能的的数数控控机机床床、机机器器人人等等场场合合。电电机机运运行行功功率率因因数数低低，电电机机和和逆逆变变器容量不能充分利用。器容量不能充分利用。3、FOC限制方式q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略 限制限制 限限制制交交、直直轴轴电电流流重重量量，保保持持PMSMPMSM的的功功率率因因数数为为1 1，在在 条条件件下下，电电机机的的电电磁磁转转矩矩随随电电

12、流流的的增增加加呈呈现现先先增增加加后后减减小的趋势。小的趋势。可可以以充充分分利利用用逆逆变变器器的的容容量量。不不足足之之处处在于能够输出的最大转矩较小。在于能够输出的最大转矩较小。最大转矩最大转矩/电流比限制电流比限制 也也称称为为单单位位电电流流输输出出最最大大转转矩矩的的限限制制（最优转矩限制）。（最优转矩限制）。它它是是凸凸极极PMSMPMSM用用的的较较多多的的一一种种电电流流限限制制策策略略。当当输输出出转转矩矩确确定定时时，逆逆变变器器输输出出电流最小，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限制策略限制策略4、坐标变换（1 1）Cla

13、rkeClarke（3s/2s3s/2s）变换）变换：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。q PMSM电机的电机的FOC限制策略限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q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为坐标系变换矩阵：可得q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略假如三相绕组是Y形联结不带零线，则有于是q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略两个沟通电流 和两个直流电流

14、，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，重量 的长短不变。轴与 轴的夹角 随时间变更（2 2）ParkPark（2s/2r2s/2r）变换）变换q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略由图可见，和 之间存在下列关系坐标系变换矩阵：写成矩阵的形式，得q PMSM电机的电机的FOC限制策略限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（3 3）电压空间矢量）电压空间矢量 q PMSM电机的电机的FOC限制策略限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

15、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限制策略限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 逆变器非零电压矢量输出时的相电压波形、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 q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略把逆变器的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

16、机的FOC限制策略限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：式中 复系数，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。q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略若 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 对于状态“1”时；可知则q PMSM电机的电机的FOC限制策略限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方向的电压空间矢量。它们周期性地依次出现，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

17、的六个顶点；n六个电压空间矢量的依次如下，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。q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略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限制策略限制策略说明：交轴电流 和转矩是线性关系，而直轴电流 对转矩没有影响。假如 为电机额定电流，当 时产 生最大转矩（）。磁链转矩方程q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略6、FOC的组成（1 1）SVPWMSVPWM模块。接受先进的调制算法以模块。接受先进的调制算法以 削减电流谐波、提高直

18、流母线电压削减电流谐波、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限制策略限制策略（3 3）转子速度）转子速度/位置反馈模块。接受霍尔位置反馈模块。接受霍尔 传感器或增量式光电编码器来精确传感器或增量式光电编码器来精确 获得转子位置和角速度信息，也可获得转子位置和角速度信息，也可 接受无传感器检测算法进行测量；接受无传感器检测算法进行测量；（4 4）PIDPID限制模块；限制模块；（5 5）ClarkClark、ParkPark及及Reverse Park

19、Reverse Park变换模变换模 块。块。q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略7、FOC原理图q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略（1 1）将将电电流流读读取取模模块块测测量量的的相相电电流流 和和 ，经经过过ClarkClark变变换换将将其其从从三三相相静静止止坐坐标标系变系变 换到两相静止坐标系换到两相静止坐标系 和和 ；（2 2）和和 与与转转子子位位置置 结结合合，经经过过ParkPark变换变换 从从两两相相静静止止坐坐标标系系变变换换到到两两相相旋旋转转坐标系坐标系 和和 ；（3 3）转转子子速速度度/位位置置反反馈馈模模块块将将测测量量的的转转子角子角

20、速速度度 与与参参考考转转速速 进进行行比比较较，并并通过通过PIPI 调整器产生交轴参考电流调整器产生交轴参考电流 ；q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略（4 4）交交、直直轴轴参参考考电电流流 与与实实际际反反馈馈的交、的交、直直轴轴电电流流 进进行行比比较较，取取直直轴轴参参考电流考电流 为为0 0。再再经经过过PIPI调调整整器器，转转化化为为电压电压 和和 ；（5 5）电电压压 和和 与与检检测测到到的的转转子子角角位位置置 相结相结 合合进进行行反反ParkPark变变换换，变变换换为为两两相相静静止坐标止坐标 系的电压系的电压 和和 ；（6 6）电电压压 和和 经经过过

21、SVPWMSVPWM模模块块调调制制为为六六路开路开 关关信信号号从从而而限限制制三三相相逆逆变变器器的的开开通通与关与关 断。断。q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略当当 变更时，与变更时，与 产生偏差产生偏差 ，经，经PIPI调整器输调整器输出设定值出设定值 ,和实际交轴电流和实际交轴电流 比较，得到偏差比较，得到偏差 ，用来调整实际交轴电流；用来调整实际交轴电流；假如直轴电流假如直轴电流 不为不为0 0，因为直轴电流给定值为，因为直轴电流给定值为0 0，产生直轴电流偏差产生直轴电流偏差 ；以上两个偏差电流以上两个偏差电流 和和 经过经过PIPI调整器及反调整器及反ParkPark变换后为变换后为SVPWMSVPWM调制算法供应两相电压调制算法供应两相电压 ，从而，从而进一步调整电压空间矢量，并通过逆变器来调整电进一步调整电压空间矢量，并通过逆变器来调整电机的转速，然后重复上述过程，实现了转速和电流机的转速，然后重复上述过程，实现了转速和电流的双闭环限制系统。的双闭环限制系统。q PMSM电机的电机的FOC限制策略限制策略感谢！