永磁同步電機工作原理.ppt

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內(nèi)容提要,PMSM和BLDC電機的特點 PMSM和BLDC電機的應(yīng)用范圍 PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu) PMSM和BLDC電機的工作原理 PMSM和BLDC電機的控制策略 PMSM電機的FOC控制策略,PMSM和BLDC電機的特點,優(yōu)點,（1）功率密度大； （2）功率因數(shù)高（氣隙磁場主要或全部由轉(zhuǎn) 子磁場提供）； （3）效率高（不需要勵磁，繞組損耗?。?； （4）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，維護簡 單； （5）內(nèi)埋式交直軸電抗不同，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱磁性 能較差。,缺點,（1）價格較高； （2）弱磁能力低； （3）起動困難，高速制動時電勢高，給 逆變器帶來一定的風(fēng)險； （4）他控式同步電機有失步和震蕩的可 能性。,PMSM和BLDC電機的特點,PMSM和BLDC電機的應(yīng)用范圍,軟、硬磁盤驅(qū)動器、錄像機磁鼓（視頻磁頭）和磁帶伺服系統(tǒng),體積小、容量小、控制精度高,機床、機器人等數(shù)控系統(tǒng),快速性好、定位（速度和位置）精度高、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強,交通運輸,電動自行車、電動汽車、混合動力車、 城軌車輛、機車牽引,家用電器,冰箱、空調(diào)等（單位體積功率密度高、 體積?。?PMSM和BLDC電機的應(yīng)用范圍,模擬結(jié)構(gòu)圖,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),實物結(jié)構(gòu)圖,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),定子,定子繞組一般制成多相（三、四、五相不 等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子 鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度， 通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作 為永磁材料。 采用永磁體簡化了電機的 結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗， 提高電機的效率。,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),PMSM按轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)可分為兩種,（1）表面貼裝式（SM-PMSM）,直交軸電感Ld和Lq相同 氣隙較大，弱磁能力小， 擴速能力受到限制,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),（2）內(nèi)埋式（IPMSM）,交直軸電感:LqLd 氣隙較小，有較好的 弱磁能力,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),無刷直流電機,永磁體的弧極為180度，永磁體產(chǎn)生的氣 隙磁場呈梯形波分布，線圈內(nèi)感應(yīng)電動 勢亦是交流梯形波 定子繞組為Y或 聯(lián)結(jié)三相整距繞組 由于氣隙較大，故電樞反應(yīng)很小,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),正弦波永磁同步電機,永磁體表面設(shè)計成拋物線，極弧大體為 120度 定子繞組為短距、分布繞組 定子由正弦波脈寬調(diào)制（SVPWM）的電壓型逆變其供電，三相電流為正弦或準(zhǔn)正弦波,PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu),,PMSM的數(shù)學(xué)模型,：定子三相靜止坐標(biāo)系 ：定子兩相靜止坐標(biāo)系 ：轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系,為了簡化和求解數(shù)學(xué)模型方程，運用坐標(biāo)變換理論,通過對同步電動機定子三相靜止坐標(biāo)軸系的基本方程進 行線性變換，實現(xiàn)電機數(shù)學(xué)模型的解耦 。,PMSM和BLDC電機的工作原理,：定子電壓 ：定子電流 ：定子磁鏈?zhǔn)噶?：轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?：轉(zhuǎn)子角位置 ：電機轉(zhuǎn)矩角,假設(shè)： 1)忽略電動機鐵心的飽和； 2)不計電動機中的渦流和磁滯損耗； 3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。 永磁同步電動機在三相定子參考坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達如下：,,,定子電壓： 定子磁鏈： 電磁轉(zhuǎn)矩：,,PMSM和BLDC電機的工作原理,永磁同步電動機在 標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可 以表達如下：,,,定子電流： 定子磁鏈： 電磁轉(zhuǎn)矩：,,PMSM和BLDC電機的工作原理,永磁同步電動機在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中的數(shù)學(xué)模 型可以表達如下：,,定子電壓： 定子磁鏈： 電磁轉(zhuǎn)矩：,,,,,,PMSM和BLDC電機的工作原理,每一瞬間有兩個功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次， 每次換相一個功率開關(guān)，每個功率開關(guān)導(dǎo)通120度電 角度。導(dǎo)通順序為,（1）兩兩通電方式,PMSM和BLDC電機的工作原理,BLDC電機控制方式,全控橋兩兩通電電路原理圖,,將三只霍爾集成電路 按相位差120度安裝， 產(chǎn)生波形如圖所示。,PMSM和BLDC電機的工作原理,導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩 c)兩兩通電時合成轉(zhuǎn)矩,Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖,每一瞬間有三個功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次， 每個功率開關(guān)導(dǎo)通180度電角度。導(dǎo)通順序為,（2）三三通電方式,PMSM和BLDC電機的工作原理,Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖,Y聯(lián)結(jié)三三通電方式相電壓和線電壓波形,,PMSM和BLDC電機的工作原理,三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖,導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩 c)三三通電時合成轉(zhuǎn)矩,BLDC電機穩(wěn)定運行機械特性方程,（3）BLDC電機運行性能和傳遞函數(shù),：電機轉(zhuǎn)速（r/min）； ：電源電壓（V）； ：功率開關(guān)壓降（V）； ：電動勢系數(shù)； ：電動機產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均（N.m）; ：轉(zhuǎn)矩系數(shù)； ：電動機的內(nèi)阻（ ）。,PMSM和BLDC電機的工作原理,BLDC電機的動態(tài)特性方程,：電動機負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩； ：電動機轉(zhuǎn)子飛輪力矩 （ ）， （ 為轉(zhuǎn)動慣量）,PMSM和BLDC電機的工作原理,BLDC電機傳遞函數(shù),：電動勢傳遞系數(shù)， ：轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)， ：電磁時間常數(shù)，,BLDC電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,PMSM和BLDC電機的工作原理,（1）開環(huán)控制：u/f恒定 （2）閉環(huán)控制：,矢量控制 （70年代） 直接轉(zhuǎn)矩控制（80年代）,永磁同步電機控制方式,PMSM和BLDC電機的工作原理,定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流 和 ，從而 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 和實現(xiàn)弱磁控制。 FOC中需要測量的量為：定子電流、 轉(zhuǎn)子位置角,PMSM電機的FOC控制策略,1、工作原理,以轉(zhuǎn)子磁場定向 系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高 控制簡單、具有直流電機的調(diào)速性能 運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小,2、FOC特點,PMSM電機的FOC控制策略,控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。 其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。電機運行功率因數(shù)低，電機和逆變器容量不能充分利用。,3、FOC控制方式,PMSM電機的FOC控制策略,控制 控制交、直軸電流分量，保持PMSM的功率因數(shù)為1，在 條件下，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。 可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。 最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。 它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制策略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。,PMSM電機的FOC控制策略,4、坐標(biāo)變換,（1）Clarke（3s/2s）變換,：三相繞組每相繞組匝數(shù) ：兩相繞組每相繞組匝數(shù),各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流 的乘積，其相關(guān)空間矢量均位 于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。,PMSM電機的FOC控制策略,設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與相 總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁 動勢在 軸上的投影都應(yīng)相等，因此,PMSM電機的FOC控制策略,考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為,坐標(biāo)系變換矩陣：,可得,PMSM電機的FOC控制策略,如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有,于是,PMSM電機的FOC控制策略,兩個交流電流 和兩個 直流電流 ，產(chǎn)生同樣 的以同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的合 成磁動勢,軸和矢量 都以 轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，分量 的長短不變。 軸與 軸 的夾角 隨時間變化,（2）Park（2s/2r）變換,PMSM電機的FOC控制策略,由圖可見， 和 之間存在下列關(guān)系,坐標(biāo)系變換矩陣：,寫成矩陣的形式，得,PMSM電機的FOC控制策略,由三組六個開關(guān) （ ）組成。 由于 與 、 與 、 與 之間互為反向，即一個接通， 另一個斷開，所以三組開關(guān)有 種可能的開關(guān)組合,PWM逆變器模型,（3）電壓空間矢量,,,,,,PMSM電機的FOC控制策略,若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時，該相 的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通 時，為“0”態(tài)。則8種可能的開關(guān)組合,逆變器7種不同的電壓狀態(tài)： 電壓狀態(tài)“1”至“6” 零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7”,,,,,,,,PMSM電機的FOC控制策略,逆變器的輸出電壓 用空間電壓矢量來表示，依 次表示為,,,,,,,,,,,,,逆變器非零電壓矢量輸出時 的相電壓波形、幅值和電壓 狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系圖 電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以6 個狀態(tài)為一個周期，相電壓 幅值為兩種： 和,,,PMSM電機的FOC控制策略,把逆變器的7個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi)，形成 7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量 在空間的位置相隔60角度，6個工作電壓空間矢量 的頂點構(gòu)成正六邊形,,,,,,,,,,,,,,,PMSM電機的FOC控制策略,選定定子坐標(biāo)系中的 軸與 矢量復(fù)平面的實軸 重合，則其三相物理量 的 矢 量 為：,,,,,,,,,,,,,,,式中 ——復(fù)系數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子， 旋轉(zhuǎn)空間矢量 的某個時刻在某軸線 軸上的 投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。,PMSM電機的FOC控制策略,若 三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電 壓的空間矢量 的 矢量變換表達式為,,,,,,,,,,,,,,,對于狀態(tài)“1” 時；可知,則,PMSM電機的FOC控制策略,電壓空間矢量的結(jié)論：,,,,,,,,,,,,,,,逆變器六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差60度； 電壓空間矢量的幅值不變，都等于 ，因此六個電壓空間矢量的頂點構(gòu)成了正六邊形的六個頂點； 六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)； 零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。,PMSM電機的FOC控制策略,5、FOC基本方程,SM-PMSM的電壓和磁鏈方程,：定子相繞組 ：定子相繞組電感 ：定子相繞組互感 ：轉(zhuǎn)子電角度 ：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈,其中,PMSM電機的FOC控制策略,說明：交軸電流 和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，而直軸電流 對轉(zhuǎn)矩沒有影響。 如果 為電機額定電流，當(dāng) 時產(chǎn) 生最大轉(zhuǎn)矩（ ）。,磁鏈轉(zhuǎn)矩方程,PMSM電機的FOC控制策略,6、FOC的組成,（1）SVPWM模塊。采用先進的調(diào)制算法以 減少電流諧波、提高直流母線電壓 利用率； （2）電流讀取模塊。通過精密電阻或電 流傳感器測量定子電流；,PMSM電機的FOC控制策略,（3）轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊。采用霍爾 傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確 獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可 采用無傳感器檢測算法進行測量； （4）PID控制模塊； （5）Clark、Park及Reverse Park變換模 塊。,PMSM電機的FOC控制策略,,7、FOC原理圖,PMSM電機的FOC控制策略,（1）將電流讀取模塊測量的相電流 和 ， 經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變 換到兩相靜止坐標(biāo)系 和 ； （2） 和 與轉(zhuǎn)子位置 結(jié)合，經(jīng)過Park變換 從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 和 ； （3）轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊將測量的轉(zhuǎn)子角 速度 與參考轉(zhuǎn)速 進行比較，并通過PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ；,PMSM電機的FOC控制策略,（4）交、直軸參考電流 與實際反饋的交、 直軸電流 進行比較，取直軸參考電流 為0。再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 和 ； （5）電壓 和 與檢測到的轉(zhuǎn)子角位置 相結(jié) 合進行反Park變換，變換為兩相靜止坐標(biāo) 系的電壓 和 ； （6）電壓 和 經(jīng)過SVPWM模塊調(diào)制為六路開 關(guān)信號從而控制三相逆變器的開通與關(guān) 斷。,PMSM電機的FOC控制策略,當(dāng) 變化時，與 產(chǎn)生偏差 ，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸 出設(shè)定值 ,和實際交軸電流 比較，得到偏差 ， 用來調(diào)節(jié)實際交軸電流； 如果直軸電流 不為0，因為直軸電流給定值為0， 產(chǎn)生直軸電流偏差 ； 以上兩個偏差電流 和 經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器及反Park 變換后為SVPWM調(diào)制算法提供兩相電壓 ，從而 進一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調(diào)節(jié)電 機的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過程，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流 的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。,PMSM電機的FOC控制策略,,謝謝！,