第六章 永磁同步电机控制技术

MTPA控制
Te* +
PI MTPA 弱磁控制
Us* +
2 U2 Uq d
iq +
id +
iq
+ Udc -
PI PI
u* q u*d
udqab
r
Te
-
SV u*β PWM
id iq
u* α
电压源 逆变器
ia
Calculation
id iq
+
id
id
iabcdq iib
c
限幅
PI
百分比
电磁转矩合成图
48
电感变化对IPMSM控制的影响分析
电感变化对MTPA曲线的影响
id A' A B' B
固定电感的MTPA轨迹和实际电感MTPA'轨迹
49
iq
200.7
T
1500
百分 比
-106.4
-99.748
164.785
1262.59
15.8%
-60.16
142.6
1000
-66.068
vds r Lqs iqs vqs r Lds ids r m
53
弱磁控制
• 电压与电流限制
i i I
2 ds 2 qs 2 s max
(r Lqsiqs )2 (r Ldsids r m )2 Vs2 max
54
弱磁控制
• 弱磁转折速度
空载转折速度
转矩不变，速度上升，则id反向增大； SPM的iq不变，IPM的iq减小。
61
弱磁控制
• 弱磁时的最优运行点
转速不变，转矩增大，则id反向增大，iq增 大。
62
弱磁控制
• 现有几种弱磁控制方案
双电流环法 单电流环法 电压相位法
63
弱磁控制
• 双电流环法
沿用非弱磁区的控制结构 根据转速和转矩确定电流分配方案 电流环PI的改进
高功率密度 控制相对简单
4
概述
• 效率比较(400kW牵引电机)
5
1. 绪论
德国西门子
ICE3原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比
参数 额定功率
传动比 电机质量
异步电动机 500kW
1:2.79 750kg
永磁同步电动机 500kW
—— 400kg
电机最大效率
传动齿轮效率 总效率
94.5%
求解：
F 0 ids
F 0 iqs
F 0
结果：dq电流关系
37
矢量控制
IPM-MTPA控制方案一
38
矢量控制
IPM-MTPA控制方案二
39
矢量控制
• 电流解耦控制
反馈解耦
40
矢量控制
• 电流解耦控制
双PI解耦
41
矢量控制
参数灵敏度分析
42
矢量控制
22
数学模型
• 转矩方程
SPM IPM
ids is cos b iqs is sin b
3P 1 Te [mis sin b ( Lds Lqs )is2 sin 2b ] 22 2
23
数学模型
• 状态方程
ds Rs ids Lqsr iqs vds Lds i qs Ldsr ids Rs iqs r m vqs Lqs i r J P 3P { [miqs ( Lds Lqs )iqs ids ] TL } 2 22
系统输入：dq轴电压
状态变量：dq轴电流、转速 电流方程
Lds 0 ds Rs 0 i Lqs iqs Ldsr Lqsr ids 0 vds i m v Rs qs r qs 24
e0 r m Vs max
rb
Vs max
m
负载转折速度
rc
Vs max
( Lqs iqs ) 2 ( Lds ids m ) 2
电流轨迹达到电压 极限时进入弱磁
弱磁转折速度的影响因素
直流电压 PWM调制方式
dq电流分配方式 永磁体磁链
设计参数 额定功率 额定电压 额定电流 电机极对数 相数 值 600kW 2730V 143.882A 3 3 设计参数 定子外径 转子外径 铁心长度 定子槽数 永磁体材料 值
建立二维坐标系
Ansoft流程图
建立模型
510mm
绘制模型的几何尺寸
外接电路 产生动态解
290mm
a 直轴电流单独激励时的磁力线
16
数学模型
• 静止与旋转坐标系
三相静止坐标系(abc) 两相静止坐标系(ab0)
两相旋转坐标系(dq0)
同一空间矢量在不同坐标系下的投影
17
数学模型
• 坐标变换
abc→ ab0
ab → dq0
18
数学模型
• abc坐标下电机模型
电压方程
磁链方程
19
数学模型
• abc坐标下电机模型
d 永磁体和交、直轴电流共同 激励时的磁力线分布
45
基于Ansoft的电机电感计算
Ld L mq Lmd N CT Luvw C a l Lq PB
2
600kW电机电感随交轴电流变化图
46
电感变化对IPMSM控制的影响分析
永磁同步电机转矩闭环控制
永磁同步电机控制技术
北京交通大学电气工程学院 林飞
1
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
2
概述
• 交流电机
电励磁：直流励磁 同步电机 永磁 异步电机 鼠笼：感应
双馈：交流励磁
3
概述
• 永磁同步电机
高效率
• 永磁牵引系统的主要应用
东日本铁路 103系动车组：直驱 东芝 东京地铁银座线 新干线E954/955 日立/川崎
16000系地铁
12
概述
• 永磁电机的两种转子结构
表面式(SPM):隐极特性 内置式(IPM) :凸极特性
13
概述
• 控制方法
恒压频比控制
控制简单 性能低 不适合牵引传动
数学模型
• PMSM模型框图
25
数学模型
• PMSM模型框图
26
数学模型
• 小结
同步旋转坐标系下(dq)模型最简单 旋转坐标变换需要转子位置信息 IPM的转矩有励磁和磁阻转矩两部分
电流方程中存在耦合和非线性
27
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
• 基本原理
• PMSM弱磁区运行
• 几种弱磁控制方法 • 弱磁区保护问题探讨 • 小结
52
弱磁控制
• 电压与电流限制
电流限制 电压限制
2 2 ids iqs I s2max 2 2 vds vqs Vs2 max
(r Lqsiqs )2 (r Ldsids r m )2 Vs2 max
54
b
225mm
产生静态解 建立永磁体和铁芯 交轴电流单独激励时的磁力线 材料的特性曲线 设定求解方案 及划分网格
查看各参数结果 后处理
NdFe38EH
设定边界条件和 磁场来源
计算电感转矩磁通 等物理量 整理分析的结果 并绘图
电机效率
>97%
电机永磁体磁链
1.949Wb
建立模型
c 永磁体单独激励时的磁力线
实际转矩
' Te ' p i p L L 固定电感 f q d 15.38mH q id iq
164.785A
实际电感
10.5655mH 1262.59N· m 237.41N· m ' 15.8%
转矩差
磁阻转矩

2
实际转矩
' 转矩差 e e

(rad )
Байду номын сангаас
T T T p Lq Lq id iq
矢量控制
控制较复杂 性能高 适合牵引传动
直接转矩控制
控制复杂 性能较高 应用不多
14
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
15
数学模型
• 坐标系与坐标变换
• 不同坐标系下电机方程
• 模型框图 • 小结
64
弱磁控制
直接计算法
根据转速和转矩判定弱磁转折点；
弱磁前后均通过公式计算电流优化运行点；
计算量大，参数依赖性强。
65
弱磁控制
目标：确定dq轴电流的分配，使得 给定转矩下定子电流幅值最小。
对SPM，即ids=0控制。
对IPM，需求解数学优化问题。
36
矢量控制
IPM-MTPA问题
Min Sj.
2 2 is2 ids iqs
拉格朗日函数
2 2 F ids iqs [0.75P（miqs (Lds Lqs )ids iqs ) Te ]
电感方程
电感参数时变，与转子位置有关
20
数学模型
• ab坐标下电机模型
电压方程
磁链方程
对于IPM，电感参数仍然时变
21
数学模型
• dq坐标下电机模型
电压方程
磁链方程
电感参数为常数 SPM：Lds=Lqs ; IPM: Lds<Lqs 各电气量由交流量变为直流量
125
899.3
10.1%
矢量控制
• 小结
PMSM矢量控制较简单 MTPA控制具有较优的效率 解耦控制可以明显改善电流环性能 磁链及电感参数的在线辨识
50
内容提要
• 概述 • 永磁同步电机的数学模型 • 矢量控制 • 高速弱磁控制方法 • 无位置传感器控制 • 总结
51
弱磁控制
97% 91.5%
96.5%
—— 96.5%
6
概述
• 主电路
牵引变流器：四象限变流器+三相逆变器 一个逆变器控制 一台电机 电机端接触器： 旋转→反电势
7
概述
• 法国TGV-A
同步电机牵引传动系统 开关器件：晶闸管 电流型变流器 有源逆变方式
8
概述
• 永磁牵引系统的主要应用
矢量控制
• 两种电流分配方案
ids=0控制 最大转矩电流比控制(MTPA) 电流一定时转矩最大
转矩一定时电流最小
dq电流的优化分配
33
矢量控制
ids=0控制
34
矢量控制
ids=0控制 适用于SPM;对IPM则未能利用磁阻
转矩
转矩响应速度快 控制简单
35
矢量控制
MTPA
28
矢量控制
• 基本原理
• 最大转矩电流比控制
• 电流解耦控制 • 小结
29
矢量控制
• 矢量控制基本原理
30
矢量控制
• 常规矢量控制框图
31
矢量控制
• PMSM与IM矢量控制
永磁同步电机
转子位置测量 磁链观测
异步电机
需要 不需要 弱磁时需要 高 高
不需要 需要 需要 低 较高
32
磁链控制
参数鲁棒性 转矩控制性能
阿尔斯通 AGV：720kW/4500rpm
Citadis: 120kW/3600rpm
9
概述
• 永磁牵引系统的主要应用
西门子 Syntegra ：直驱
10
概述
• 永磁牵引系统的主要应用
庞巴迪 Mitrac永磁牵引系统
单轨车
斯柯达 100%低地板车：46kW
11
概述
55
弱磁控制
• 弱磁转折速度
弱磁点的判定
公式计算法
空载转折速度 电流跟踪误差判定法 输出电压判定法
56
弱磁控制
• PMSM的运行范围
OA：MTPA运行区
转矩逐渐增大
最大转矩点
57
弱磁控制
• PMSM的运行范围
AB：弱磁 I 区
A点为电压、电流限制圆与MTPA轨迹的交点 rc1为最大转矩下对应的转折速度 AB为弱磁I区中不同速度下的最大转矩点， 沿电压、电流极限圆的交点运行 58 随速度上升，最大转矩下降
-
r dt ωr r
编码器
PMSM
47
电感变化对IPMSM控制的影响分析
电感变化对输出转矩影响
Te ( N m)
设计转矩
电磁转矩
Te p Lq id iq f iq p Ld -99.748A 直轴电流
交轴电流
励磁转矩 设计转矩
磁阻转矩 1500N· m
励磁转矩
弱磁控制
• PMSM的运行范围
BC：弱磁 II 区
B点后最大转矩点在电流极限圆内，电压极 限圆上 BC为弱磁II区中不同速度下的最大转矩点 随速度上升，最大转矩下降 59
弱磁控制
• 弱磁时的最优运行点
给定速度和转矩下，电压极限圆上的运行 点电流最小
60
弱磁控制
• 弱磁时的最优运行点
• 两种解耦方法对比
反馈解耦 理想情况下解 耦效果 电感参数 鲁棒性 永磁体磁链参 数鲁棒性 实现难度 双PI解耦
好 低 低 简单
好 高 高 复杂，调试 工作较繁琐
43
永磁同步电机交直轴磁路
（a）直轴磁路
（b）交轴磁路
44
基于Ansoft的电机电感计算
600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数