永磁同步电机工作原理 ppt课件

PMSM电机的FOC控制策略
4、坐标变换
（1）Clarke（3s/2s）变换
B

N 3iB
N 2 i
60
N3 ：三相绕组每相绕组匝数 N 2 ：两相绕组每相绕组匝数

A
60

O N 2 i
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。
C
N 3iC
PMSM电机的FOC控制策略
VFVFVF 1 2 3、VFVFVF 2 3 4、VFVFVF 3 4 5、VFVFVF 4 5 6、VFVFVF 5 6 1、VFVFVF 6 1 2、VFVFVF 1 2 3 ...
U1
H1 H2 H3
译 码 电 路
VF1
VF3
VF5
A B
C
VF4
VF6
VF2
Y联结三三通电方式的控制原理图
PMSM和BLDC电机的工作原理
vab
0
Vd

1 Vd 3
2

t
van
0
2 Vd 3
M
t
Y联结三三通电方式相电压和线电压波形
Tc 1 2导通时合成转矩 a) VF6VFVF 2
b) VFVF VF 导通是合成转矩
1 2 3
c)三三通电时合成转矩
Tb Ta 2 To 2 Ta Tb T Tc 2 T c b
Ta To Tc

转子
转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作
为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。
PMSM和BLDC电机的结构

PMSM按转子永磁体的结构可分为两种
（1）表面贴装式（SM-PMSM）
直交轴电感Ld和Lq相同 气隙较大，弱磁能力小， 扩速能力受到限制
K1
PMSM和BLDC电机的工作原理

永磁同步电机控制方式
（1）开环控制：u/f恒定
（2）闭环控制：

矢量控制 （70年代） 直接转矩控制（80年代）
PMSM电机的FOC控制策略
1、工作原理 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 ids和 iqs，从而 调节转矩 T 和实现弱磁控制。 e FOC中需要测量的量为：定子电流、 转子位置角
PMSM电机的FOC控制策略

cos 1 控制
控制交、直轴电流分量，保持 PMSM 的功率因数为 1 ， 在 cos 1条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈 现先增加后减小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出 的最大转矩较小。

最大转矩/电流比控制
也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控 制）。 它是凸极PMSM用的较多的一种电流控制策略。当输出 转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的 铜耗。
3 Te pn f iq ( Ld Lq )id iq 2
PMSM和BLDC电机的工作原理
BLDC电机控制方式 （1）两两通电方式

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。导通顺序为 VFVF 1 2、VFVF 2 3、VFVF 3 4、VFVF 4 5、VFVF 5 6、VFVF 6 1...
b) VF 、VF 导通是合成转矩
2 3
Tc
Tb
Tc
Tb b)
Ta Tc
Tac Tbc Tba Tca c)
Tab
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
PMSM和BLDC电机的工作原理
（2）三三通电方式
每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相一次， 每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为
4他控式同步电机有失步和震荡的可pmsmbldcpmsmbldc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控制精度高机床机器人等数控系统快速性好定位速度和位置精度高起动转矩大过载能力强交通运输电动自行车电动汽车混合动力车城轨车辆机车牵引家用电器冰箱空调等单位体积功率密度高体积小pmsmbldc模拟结构图pmsmbldc霍尔传感器定子绕组转子磁铁实物结构图pmsmbldc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
定子磁链：
PMSM和BLDC电机的工作原理
永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模 型可以表达如下： 定子电压：
ud Rs id d d r q dt
uq Rs iq
d q dt
r d
定子磁链：
d Ld id f
q Lq iq
电磁转矩：
PMSM和BLDC电机的特点

缺点 （1）价格较高；
（2）弱磁能力低；
（3）起动困难，高速制动时电势高，给 逆变器带来一定的风险； （4）他控式同步电机有失步和震荡的可 能性。
PMSM和BLDC电机的应用范围

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、控制精度高
d、q ：转子两相坐标系
PMSM和BLDC电机的工作原理
假设： 1)忽略电动机铁心的饱和；
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：
d s 定子电压： us Rs is dt j 定子磁链： s Lsis f e
PMSM和BLDC电机的结构
（2）内埋式（IPMSM）
交直轴电感:Lq>Ld 气隙较小，有较好的 弱磁能力
PMSM和BLDC电机的结构


无刷直流电机 永磁体的弧极为180度，永磁体产生的气 隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动 势亦是交流梯形波 定子绕组为Y或

联结三相整距绕组

由于气隙较大，故电枢反应很小
PMSM和BLDC电机的工作原理

BLDC电机传递函数
U ( s) U ( s)
TL ( s )
KT
1 R
375 GD 2 s
n( s )
Ea ( s)
Ke
BLDC电动机动态结构图
K1 K2 n( s ) U (s) TL 1 Te s 1 Te s
：电动势传递系数， K1 1/ K r； K 2 ：转矩传递系数， K 2 R / K e KT； Te ：电磁时间常数， Te RGD 2 / (375K e KT )。
PMSM电机的FOC控制策略
2、FOC特点

以转子磁场定向 系统动态性能好，控制精度高 控制简单、具有直流电机的调速性能



运行平稳、转矩脉动很小
PMSM电机的FOC控制策略
3、FOC控制方式

id 0 控制
定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与 永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电 流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好， 可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、 机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器 容量不能充分利用。

机床、机器人等数控系统
快速性好、定位（速度和位置）精度高、 起动转矩大、过载能力强
PMSM和BLDC电机的应用范围

交通运输
电动自行车、电动汽车、混合动力车、 城轨车辆、机车牵引

家用电器 冰箱、空调等（单位体积功率密度高、 体积小）
PMSM和BLDC电机的结构

模拟结构图
A
⊕
⊙
Y
Z
⊙
b
r

1 1 1 i N3 2 2 i 3 3 N 2 0 2 2
i A iB iC
PMSM电机的FOC控制策略
N3 2 考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为 N2 3 1 1 i A 1 i 2 2 可得 2 iB i 3 3 3 0 iC 2 2 1 1 1 2 2 2 坐标系变换矩阵： C3/ 2 3 3 3 0 2 2
U1
H1 H2 H3
译 码 电 路
VF1
VF3
VF5
A B
C
VF4
VF6
VF2
全控桥两两通电电路原理图
PMSM和BLDC电机的工作原理
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。
a)
H1
0
t
H20
H3 0

2
3
4
t t
VF1、VF2
导通时合成转矩
Tac
Ta Tc a) Tbc
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
N 2i N 3iA N 3iB cos 60 N 3iC cos 60 1 1 N 3 (iA iB iC ) 2 2 N 2i N 3iB sin 60 N 3iC sin 60 3 N 3 (iB iC ) 2
n
(U U ) R n Ta Ke K e KT
PMSM和BLDC电机的工作原理

BLDC电机的动态特性方程
U U Ea IR Ta KT I GD 2 dn Ta TL 375 dt Ea K e n
TL
：电动机负载阻转矩； GD 2 ：电动机转子飞轮力矩 2 （ N .m ）， GD 2 4 gJ （ J为转动惯量）
g g
B
⊕
b
r
⊕C
⊙
X
PMSM和BLDC电机的结构

实物结构图
转子磁铁
定子绕组
霍尔传感器
PMSM和BLDC电机的结构

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， 通入三相交流电时，产生旋转磁场。
PMSM和BLDC电机的结构
To
To To
To c)
To
a)
b)
三三通电时的合成转矩矢量图
PMSM和BLDC电机的工作原理
（3）BLDC电机运行性能和传递函数

BLDC电机稳定运行机械特性方程 ：电机转速（r/min）； U ：电源电压（V）； U ：功率开关压降（V）； K e ：电动势系数； Ta ：电动机产生的电动转矩平 均（N.m）; K T ：转矩系数； R ：电动机的内阻（ ）。
内容提要

PMSM和BLDC电机的特点 PMSM和BLDC电机的应用范围 PMSM和BLDC电机的结构 PMSM和BLDC电机的工作原理 PMSM和BLDC电机的控制策略

PMSM电机的FOC控制策略
PMSM和BLDC电机的特点

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 子磁场提供）； （3）效率高（不需要励磁，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。

i PMSM的数学模型
s
d
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 。 C u s ：定子电压
is ：定子电流
s ：定子磁链矢量 f ：转子磁链矢量 r ：转子角位置 A、B、C ：定子三相静止坐标系 、 ：定子两相静止坐标系 ：电机转矩角
PMSM和BLDC电机的结构


正弦波永磁同步电机 永磁体表面设计成抛物线，极弧大体为 120度 定子绕组为短距、分布绕组 定子由正弦波脉宽调制（SVPWM）的电压 型逆变其供电，三相电流为正弦或准正 弦波


PMSM和BLDC i 电机的工作原理
B us
sq
q
s

f r 为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论 ,通 isd 0 A
于是
2 0 i i A 3 i i 1 1 B 6 2
PMSM电机的FOC控制策略
轴和矢量 都以 （2）Park（2s/2r）变换 转速 旋转，分量 的长短不变。 轴与 轴 1 的夹角 随时间变化 q ( Fs )is i 两个交流电流 i、和两个 i iq 直流电流id、，产生同样 iq cos 的以同步转速1旋转的合 iq d id 成磁动势 Fs
1 2 3 0 3 2 3 2
C2/ 3
1 2 1 2
PMSM电机的FOC控制策略
如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有
iA iB iC 0
i i 3 2 1 2 0 i A iB 2
r
3 电磁转矩： Te n p s is 2
PMSM和BLDC电机的工作原理
永磁同步电动机在 以表达如下： 标系中的数学模型可

定子电流： s s j s
3 Te n p s is 电磁转矩： s is 2
is is jis