《永磁同步电机》幻灯片PPT

3 2
N3(iB
iC)
iiN N32
1 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iiiC BA
PMSM电机的FOC控制策略
考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为 N 3 2
N2 3
可得
ii
21 30
1 2 3 2
1 2
3 2
iiiC BA
坐标系变换矩阵：
C3/2
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
C 2/3
1
2 3
1 2
1 2
0
3
2
3 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，那么有
iAiBiC0
于是
3
i i
2 1
2
0 2
iA iB
2
iA iB
3 1 6
0
1 2
i i
PMSM电机的FOC控制策略
〔2〕Park〔2s/2r〕变换
U1
VF1
VF3
VF5
H1
译
A
码
H2
电
B
H3
路
VF4
VF6
VF2
C
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
V d
2
t
van
0
2
3V d
1 3V d
M
Y联结三三通电方式相电压和线电压波形
t
a)
VF6VF1VF2导通时合成转矩
Tc 2
b) VF1VF2VF3导通是合成转矩
U1
VF1
VF3
VF5
H1
译
A
码
H2
电
B
H3
路
VF4
VF6
VF2
C
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 H1
t
0
按相位差120度安装， H20
t
产生波形如下图。
H3 0
2
3
4
t
Tac
a)VF1、VF2 导通时合成转矩
b)VF2、VF3导通是合成转矩 Tc c)两两通电时合成转矩 Tb
PMSM电机的FOC控制策略
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
N2i N3iA N3iB cos60 N3iC cos60
N3(iA 12iB 12iC) N2i N3iB sin60 N3iC sin60
以表达如下：
定子电流： ssj s
定子磁链： is isjis
电磁转矩： T e3 2np sissis
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： 定子磁链： 电磁转矩：
u dR sidd d tdr q uqR siqd d tqr d
q
(Fs )is
1
两个交流电流 i 、 i 和两个
i iq
iq cos
id
d
直流电流id 、 iq，产生同样 的以同步转速 1 旋转的合
成磁动势 F s
s
O i
id sin
iq sin
d、 q 轴和矢量 FS (is )都以
转速 1 旋转，分量 id 、 iq
的长短不变。 轴与 d 轴
的夹角 随时间变化
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
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
dLdid f
q Lqiq
T e 3 2 p n fiq (L d L q ) id iq
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 V F 1 V F 2 、 V F 2 V F 3 、 V F 3 V F 4 、 V F 4 V F 5 、 V F 5 V F 6 、 V F 6 V F 1 . . .
PMSM和BLDC电机的构造
〔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电机的构造
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，故电枢反响很小
Ta Tc
Tc Tbc
Tb
Ta
Tac
Tbc
Tc Tba
Tab Tca
a)
b)
c)
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
V F 1 V F 2 V F 3 、 V F 2 V F 3 V F 4 、 V F 3 V F 4 V F 5 、 V F 4 V F 5 V F 6 、 V F 5 V F 6 V F 1 、 V F 6 V F 1 V F 2 、 V F 1 V F 2 V F 3 . . .
PMSM和BLDC电机的构造
正弦波永磁同步电机 永磁体外表设计成抛物线，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电机的工作原理
PMSM的数学模型
为了简化和求解数学模型方程，运用坐
标变换理论,通过对同步电动机定子三相
ua
1
逆变器非零电压矢量输出时 0
3Ud
的相电压波形、幅值和电压
状态的对应关系图
ub
0
电压状态和开关状态均以6
个状态为一个周期，相电压 uc
幅值为两种：2Ud /3 和 Ud / 3 0
2 3Ud
t
t
t
us (011) us (001) us (101) us (100) us (110) us (010)
PMSM和BLDC电机的构造
模拟构造图
A⊕
Z⊙
B⊕
b g
r
⊙Y
r g
b
⊕C
⊙X
PMSM和BLDC电机的构造
实物构造图
转子磁铁
定子绕组 霍尔传感器
PMSM和BLDC电机的构造
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。
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。
PMSM电机的FOC控制策略
4、坐标变换
〔1〕Clarke〔3s/2s〕变换
B
N3iB N 2 i
60
O N2i
60
C
N3iC
N 3 ：三相绕组每相绕组匝数 N 2 ：两相绕组每相绕组匝数
A 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。
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。
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
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；
PMSM和BLDC电机的应用范围
PMSM电机的制策略
cos控1 制
控制交、直轴电流分量，保持PMSM的功
率因数为1，在
条件下，电机的
电c磁os转矩1 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。缺乏之处 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〕。
K
：转矩传递系数，
2
K2 R/ KeKT；
T e ：电磁时间常数， Te RGD2 /(375KeKT)。
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
静uB行s 止线qisq坐性标变轴换s 系，的实根现本电方机程数进学模ui s s型：：的定定解子子电电耦压流。
is isd
C
d
s ：定子磁链矢量
r
f
0
A
A、 B、 C：定子三相静止坐标系
f r
：转子磁链矢量 ：转子角位置
、 ：定子两相静止坐标系 ：电机转矩角
d 、 q ：转子两相坐标系
PMSM和BLDC电机的工作原理
另一个断开，所以三组开关有 23 8 种可能的开关组合
PMSM电机的FOC控制策略
假设规定三相负载的某一相与“+〞极接通时，该 相
的开关状态为“1〞态；反之，与“-〞极接通 时，为“0〞态。那么8种可能的开关组合
逆变器7种不同的电压状态： 电压状态“1〞至“6〞 零电压关状态“0〞和“7〞
PMSM电机的FOC控制策略
K e ：电动势系数； T a ：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〔 〕。
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 K T I
GD 2 dn
Ta TL
375
dt
Ea K en
T L ：电动机负载阻转矩； G D 2 ：电动机转子飞轮力矩
PMSM和BLDC电机的构造
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 构造，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。
PMSM和BLDC电机的构造
PMSM按转子永磁体的构造可分为两种 〔1〕外表贴装式〔SM-PMSM〕
直交轴电感Ld和Lq一样 气隙较大，弱磁能力小， 扩速能力受到限制
c)三三通电时合成转矩
Tb 2
To
Ta 2
Ta Tb
Tc
2
Tc Tb
a)
b)
Ta
To
To Tc To
To To
To c)
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
n(U K eU)KeR K TTa
n ：电机转速〔r/min〕； U ：电源电压〔V〕； U ：功率开关压降〔V〕；
〔N.m2〕，GD2 4gJ
〔J 为转动惯量〕
PMSM和BLDC电机的工作原理
BLDC电机传递函数 TL (s)
U (s) U (s)
1
R
KT
375
n(s)
GD2s
Ea (s)
Ke
BLDC电动机动态构造图
n(s)1 K T 1esU (s)1 K T 2 esT L
K 1 ：电动势传递系数，K1 1/Kr；
PMSM电机的FOC控制策略
由图可见，i 、 i 和 id 、 iq 之间存在以下关系
i idcosiqsin i idsiniqcos
写成矩阵的形式，得
ii s c io n s s c io n s iid q C 2 r/2 s iid q
cossin 坐标系变换矩阵： C2r/2ssin cos
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：
定子电压：
us
Rsis
ds
dt
定子磁链： sLsisfejr
电磁转矩： Te 32nps is
PMSM和BLDC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
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
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〕
逆变器的输出电压 u s ( t ) 用空间电压矢量来表示，依 次表示为
u s ( 0 0 1 ) 、 u s ( 1 0 1 ) 、 u s ( 0 1 1 ) 、 u s ( 1 0 0 ) 、 u s ( 1 1 0 ) 、 u s ( 0 1 0 ) 、 u s ( 0 0 0 ) 、 u s ( 1 1 1 )
cos sin C2s/2rsin cos
PMSM电机的FOC控制策略
〔3〕电压空间矢量
+
SA
SB
SC
Ud
SA
SB
SC
-
PWM逆变器模型
由三组六个开关
〔 SA ,SA ,SB ,SB ,SC ,SC〕组成。 由于 S A 与 S A 、S B 与 S B 、S C 与 S C 之间互为反向，即一个接通，