无传感器PSMS马达FOC控制算法详解
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is e s = T ω T ∝ is
v
电机
瞬时功率
− 转矩 x 转速 = 反电势 x 相电流
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PMSM运行
转矩产生
考虑到F的方向,T=Fr sin θ
S S N N
90°
S
采用FOC
S
N N N
S
转矩
BEMF(V) θ 电流(I)
T = Fs*Rs*sinθ
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PMSM运行
90°
π 0 -π
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3
课程安排
PMSM概述
− − − − − PMSM应用 PMSM与BLDC的比较 PMSM结构 PMSM特性 PMSM操作
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4
PMSM应用
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信号处理
b
3相坐标系 (定子电流空间矢量表示)
is ib ic ia
a
c
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投射到旋转坐标系统(Park变换) q
β
d
θ
α
从静止坐标系变换到旋转坐标系。直轴和交轴定子电流分量的表征
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1258 FOC
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信号处理
投射到旋转坐标系统(Park变换)
从其发展历史来看,两种电机发源 于不同的领域 转矩产生的机理相同 BLDC是PM BDC的一个派生词 PMSM表示一个励磁磁场由PM提供 的AC同步电机 控制方法不同(六步控制与FOC)
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内容安排
PMSM的FOC控制
− FOC概述 − 信号处理 − PMSM的FOC控制
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1258 FOC
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25
FOC概述
采用正弦激励,并使所施加电流空 间矢量与转子位置保持一定关系 定子电流和转子(磁钢)磁通相互 作用产生转矩,从而使转子转动 需要采用电子控制实现电流矢量超 前于转子位置90度,以实现最优转 矩输出 T ∞ 电流空间矢量
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PMSM使用FOC控制
保持电流超前 于转子位置90° 需要一直获取连 续的转子位置信 息 更好的转矩性能 无转矩脉动
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S N N S
90°
S
N
S S N N
1258 FOC
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PMSM的FOC控制
N ref id ref Σ PI iq ref Σ PI Vq Vd PI d,q Vα Vβ SVM 三相 逆变桥
α,β
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PMSM运行
N S N S
θ
S
未采用FOC
转矩
N N N S
S
BEMF(V) θ 电流(I)
T = Fs*Rs*sinθ
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PMSM运行
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PMSM运行
S
S
N
θ
定子磁场
S S
N
N N
S
转子磁场
N
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FOC概述
提升动态响应 减少转矩脉动 可扩展转速范围 低噪声和EMI
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Σ
-
θ
d,q iα
iq id
α,β
a,b,c
A
编码器
ia ib
α,β
QEI
iβ
电机
速度和位置
B
这将使能最优的转矩控制
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PMSM的FOC控制
PI控制器运行于转子定向的d-q坐标系, 它们为直流量,不同于电机电压和电流 (为正弦变化量),因此在电机低速和 高速运行时都能运行良好。 Iq跟踪给定转矩,Id参考值为零;这将 产生最优的转矩输出 PI控制器输出将被变换为三相电压信号 以输出到三相逆变桥 (反Park变换,反 ClarkeM特性
转矩 去磁限制 VSI电流限制
短时运行
I电 VS
T0
压曲 线
连续运行 0 ωr 转速
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PMSM运行
PMSM电气模型
i R L e
1258 FOC
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PMSM运行
定子磁场可分解为与转子磁场平行 和正交两个分量 只有正交(交轴)磁场分量产生转 矩 平行(直轴)磁场分量产生作用于 轴承的压力 相电流产生定子磁场且可被测量
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PMSM特性
理想的反电势不含有谐波 使得音频噪声减少 更高的效率——减少了寄生能量, 这种能量可激发机械部件、导致其 处于不可控的状态
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1258 FOC
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从静止坐标系变换到旋转坐标系(该坐标系以转子速度旋转)
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信号处理
旋转坐标系中的矢量
电机绕组中通入对称的电流将产生一个合成的旋转电流空间矢量,该矢量与转子位置正交。 为实现最优控制, Iq应取最大值而Id应取最小值
1258 FOC
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9
PMSM结构
PMSM具有与BLDC类似的结构, 但是,PMSM反电势信号为正弦 的,而BLDC PMSM梯形波 数学模型不同 PMSM采用正弦电流驱动 与三相ACIM类似,但气隙磁通由转 子上安装的磁钢产生
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信号处理
旋转坐标系中的矢量
q
iq id
is
d
转矩 ∝ iq
磁通 ∝ id
它们都是不随时间变化的量,可看作DC参数,这使得它们可被独立地进行控 制
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PMSM特性
BLDC PMSM
定子磁链
反电势
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1258 FOC
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PMSM特性
eb
ωt
波形形状主要受到定子设计的影响 每相每极槽数是一个关键参数 分数槽、绕组和磁极电机可实现波形设计 制造容差决定波形的质量
1258 FOC
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信号处理
投射到2相系统(Clarke变换)
实部α和虚部β分量为 = isα + jisβ。变换至正交静止坐标系。
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信号处理
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PMSM 应用
空调机和冰箱(AC)压缩机 直接驱动洗衣机 高精度机床工具 汽车电动转向 牵引控制 数据储存
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PMSM与BLDC的比较
高效率和高可靠性 设计用于高性能伺服应用 可实现有/无位置编码器的运行方式 比ACIM体积更小、效率更高、重量更轻 采用FOC控制可实现最优的转矩输出 平滑的低速和高速运行性能 较低的噪声和EMI
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1258 FOC
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PMSM特性
v ea eb ec
ωt
PMSM的反电势波形
具有正弦反电势波形的无刷电机 同步AC电机 BLAC PMSM
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1258C FOC
无传感器PMSM 马达FOC控制算法详解
课程目标
通过本课程学习,您将: − 了解一些目前最新的电机控制设计解 决方案 − 了解一种新的永磁同步电机(PMSM) 无传感器磁场定向控制(FOC)算法 − 了解如何查找更多关于该算法的信息
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PMSM结构
定子 转子 转子
定子
径向
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轴向
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PMSM结构
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信号处理
矢量坐标系
b a
β
q d α
c 3-轴定子坐标系 2-轴定子坐标系 2-轴旋转坐标系
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1258 FOC
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信号处理
通过三相电压控制电流空间矢量 坐标变换简化了数学方程,使得三 相电机控制可采用与直流电机相同 的传统方法 三相时间变量变换到2轴时间常量
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课程安排
PMSM概述 PMSM的FOC控制 无传感器技术 DMCI介绍——一种有用的工具 演示1:整定PI参数 演示2:整定无传感器控制参数 回顾,答疑(Q&A)
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1258 FOC
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2
课程安排
PMSM概述 PMSM的FOC控制 无传感器技术 DMCI介绍——一种有用的工具 演示1:整定PI参数 演示2:整定无传感器控制参数 回顾,答疑(Q&A)
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