(完整版)ch3永磁同步电机的矢量控制技术(1)

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Te np[fiq (Ld Lq )idiq ]
对于凸极永磁同步电机，取转矩和电流基值为
ib
f
Lq Ld
Teb
np f ib
得标幺值形式的永磁同步电机的转矩方程
Te iq(1 id )
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2.0
iq*
Te 1.0
-2.0
-1.0
Te
1.0
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3.2 id =0控制
这种情况下， 永磁同步电机相当于一台他励直 流电动机。转矩方程为：
Te npfiq npf is
空间矢量图为：
Im,q iq
is
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Re,d ω
ψf
90 if
+A
源自文库18
对于面装式永磁同步电机，恒转矩控制时经常采用这种 控制方式。
插入式及埋入式永磁同步电机，小容量电机亦常采用这 种控制。
Lq is
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Im,q us
Re,d ω
ψf
i（q is） if
+A 20
3.3 最大转矩/电流控制
最大转矩/电流控制是在电动机输出给定转矩时，控制定 子电流最小的控制方法，也称单位电流输出最大转矩控 制。由电磁转矩方程
Te np[fiq (Ld Lq )idiq ]
可知，对于面装式永磁同步电机，id=0控制即是最大转 矩/电流控制。
0
id*
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转矩一定时，两个电流分量有多 种选择。
黑虚线： 恒转矩时的定子电流
关系曲线； 蓝实线：
最小定子电流（最大 转矩）矢量轨迹。
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Te
最大转矩/电流比控制
最大功率输出控制
恒转矩
恒功率
o
n
PMSM 的恒转矩和恒功率调速方式
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最大转矩/电流比控制是凸极永磁同步电动机用得 较多的一种电流控制策略,其要求在电机输出给定 力矩条件下,控制定子电流的模值最小。问题等效 成求下式的最小值：
即，控制过程中，两个电流分量之间的关系需在半径 为电流矢量最大值的圆内。
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iq
电压极限椭圆
ωa
转速增加 2020/8/7
B A
is C
F
DE
电流极限圆
id
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ud Rsid Lqiq uq Rsiq Ldid f
电压极限圆 稳态时，电机电压矢量幅值为
Vs (Rsid Lqiq )2 (Rsiq Ldid f )2
常见的控制策略有： id =0控制、最大转矩/电 流(MPTA)控制，cosφ=1，恒磁链控制以及弱磁控 制等。
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永磁同步电机在控制过程中，其电压和电流需限 制在一定的范围内，有所谓电压极限圆和电流极 限圆之说。
电流极限圆
电机运行过程中，电流矢量幅值需小于其极限值，即
Is id2 iq2 Is lim
（凸极机模型）
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3.1 永磁同步电机矢量控制原理
第1章已给出了一般情况 下的永磁同步电机的数学 模型。对于绝大多数正弦 波调速永磁同步电动机来 说，转子上不存在阻尼绕 组。这种情况下，永磁同 步电机的物理模型及数学 模型可简化为
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电压方程：
ud Rsid pd q
这种控制，实现了电流转矩分量与励磁分量的解耦。由 于磁阻转矩没有得到利用，动态性能受到一定影响。由 于没有弱磁，调速范围也不是很宽。
id=0条件下，稳态电压方程简化为
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ud Rsid Lqiq uq Rsiq Ldid f
ud Lqiq Lq is uq Rsiq f Rs is f us ud juq Lq is j(Rs is f )
电机运行于高速时，可忽略电阻压降时，有
(Lqiq )2
(f
Ldid )2
Vs
2
或者，改写成
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(Lqiq )2
(f
Ldid )2
Vs
2
2
id
f Ld
2
iq2
Vs Lq
2
式中，
Lq Ld
为凸极率。
显然，上述方程轨迹为一椭圆，其应受限于电压空间矢 量的最大值。
用空载电动势e0表示的dq轴系的电压方
程为
ud Rsid Ld pid Lqiq
uq
Rsiq
Lq piq
Ldid
e 0
稳态情况下，有
ud Rsid Lqiq uq Rsiq Ldid e0
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观察电磁转矩方程
Te np[fiq (Ld Lq )idiq ]
uq
Rsiq
pq
d
磁链方程：
d Ldid f
q
Lqiq
电磁转矩：
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Te np[ f iq (Ld Lq )i d i q ]
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ud Rsid pd q
uq
Rsiq
pq
d
d Ldid f
q
Lqiq
运动方程维持不变。将磁链方程代入电压方程， 同时假设永磁体提供的磁链为常值，有：
e0 f Lmdif 3E0 则等效励磁电流为
if
3E0
Lmd
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e0 f Lmdif 3E0
式中，E0为三相绕组相电动势的有效值。e0 为两相坐标系下的电动势瞬时值。两相同 步旋转坐标系下为恒定不变的值。该变换 为恒功率变换
f
3E0
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ud Rsid Ld pid Lqiq uq Rsiq Lq piq Ldid f
第1项，永磁体转矩；第2项，磁阻转矩；都正比于交 轴（转矩）电流分量。因此，转矩控制可转化为转矩 电流分量的控制。
永磁同步电机矢量控制系统原理结构图为：
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对于每一个确定的电磁转矩，定子电流两个 分量 id 和 iq 有无数组选择，因此，如何选择电流 励磁分量衍生出若干种控制策略。
Ch3 永磁电动机的矢量控制
矢量控制理论由德国学者F.BlaSChke在20世 纪70年代首次提出。初，应用于异步电机， 很快应用于永磁同步电机。
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d X
CN
+ +
q
B
Y SZ
A+
面装式稀土永磁同步电动机
（隐极机模型）
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d
X
CN
+ +
q
B
Y SZ
A+
内置式稀土永磁同步电动机
ud Rsid Ld pid Lqiq uq Rsiq Lq piq Ldid f
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若将永磁体等效为一个励磁线圈，具有与 d 轴定子线圈相同的有效匝数，产生与永磁
体相同的基波励磁磁场，等效励磁电流为 if ，
则
f Lmdi f
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d 轴永磁体励磁磁场在q 轴线圈中产生 运动空载电动势，在正弦稳态下