永磁同步电机工作原理及控制策略[1]

永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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 。
q
B
us
isq
s
u s ：定子电压 i s ：定子电流
is isd
C
d
s ：定子磁链矢量
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： s Lsisfejr
电磁转矩：
Te
3 2
np
s
is
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
以表达如下：
定子电流： s sjs
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
产生波形如图所示。
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
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。
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
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。
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM和BLDC电机的结构
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。
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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）
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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。
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
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
i i
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iA iB iC
坐标系变换矩阵： C3/2
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
1
0
C 2 /3
2 3
1 2
3
2
永磁同步电机工[作1]原理及12 控制策略
FOC中需要测量的量为：定子电流、 转子位置角
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM电机的FOC控制策略
U (s) U (s)
1
R
KT
375
n(s)
GD2s
Ea (s)
Ke
BLDC电动机动态结构图
n(s)1KT1esU(s)1KT2esTL
K 1 ：电动势传递系数，K1 1/ Kr；
K
：转矩传递系数，
2
K2 R / KeKT；
T e ：电磁时间常数， Te RGD2 / (375KeKT )。
永磁同步电机工作原理及控制策略
定子磁链： is is jis
电磁转矩： Te32np sissis
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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：
ud
Rsid
dd
dt
rq
uq
Rsiq
dq
dt
rd
d Ldid f
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM和BLDC电机的工作原理
vab
0
Vd
2
t
van
0
2
3Vd
1 3Vd
M
t
Y联结三三通电方式相电压和线电压波形
a)
VF6VF1VF2导通时合成转矩
Tc 2
b) VF1VF2VF3导通是合成转矩
b
⊕C
⊙X
永磁同步电机工作原理及控制策略
[1]
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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。
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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 . . .
60
O N2i
60
C
N3iC
N
：三相绕组每相绕组匝数
3
N
：两相绕组每相绕组匝数
2
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。
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
n Ke
KeKT
Ta
n ：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； 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（ ）。
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM和BLDC电机的工作原理
BLDC电机的动态特性方程
[1]
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）
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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 e 和实现弱磁控制。
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 ：转子永磁两同相步电坐机工标作原系理及控制策略
[1]
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。
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
(UU) R
q Lqiq
T e3 2pn fiq(L dL q)idiq
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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 . . .
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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）
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM和BLDC电机的结构
模拟结构图
A⊕
Z⊙
B⊕
b g
r
⊙Y
r g
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i d 、 i q ，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
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。 永磁同步电机工作原理及控制策略
[1]
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
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
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
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
N2i N3iA N3iB cos 60 N3iC cos 60
N3 (iA
1 2
iB
1 2
iC
)
N2i N3iB sin 60 N3iC sin 60
3 2 N3 (iB iC )
i i
N3 N2
1 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iA iB iC
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
U U E a IR
Ta K T I
Ta
TL
GD2 375
dn dt
E a K en
T L ：电动机负载阻转矩； G D 2 ：电动机转子飞轮力矩
（N .m 2），GD2 4gJ
（J 为转动惯量）
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM和BLDC电机的工作原理
BLDC电机传递函数 TL (s)
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，则有
iAiBiC 0
于是
3
i
i
2 1
2
0 2
iA iB
2
iA
i
B
3 1 6
0
1 2
i i
百度文库
永磁同步电机工作原理及控制策略 [1]
PMSM电机的FOC控制策略
（2）Park（2s/2r）变换