永磁同步和直流无刷电机工作原理及控制策略.ppt

2009.02,central south university,永磁同步和直流无刷 电机工作原理及控制策略,中南大学 信息科学与工程学院,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,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。,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； （4）他控式同步电机有失步和震荡的可 能性。,pmsm和bldc电机的特点,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,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）,pmsm和bldc电机的应用范围,模拟结构图,pmsm和bldc电机的结构,实物结构图,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。,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。,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）,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,pmsm和bldc电机的结构,（2）内埋式（ipmsm）,交直轴电感:lqld 气隙较小，有较好的 弱磁能力,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 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,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,pmsm和bldc电机的结构,pmsm的数学模型,：定子三相静止坐标系 ：定子两相静止坐标系 ：转子两相坐标系,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 。,pmsm和bldc电机的工作原理,：定子电压 ：定子电流 ：定子磁链矢量 ：转子磁链矢量 ：转子角位置 ：电机转矩角,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： 定子磁链： 电磁转矩：,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： 定子磁链： 电磁转矩：,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：,pmsm和bldc电机的工作原理,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,（1）两两通电方式,pmsm和bldc电机的工作原理,bldc电机控制方式,全控桥两两通电电路原理图,将三只霍尔集成电路 按相位差120度安装， 产生波形如图所示。,pmsm和bldc电机的工作原理,导通时合成转矩 导通是合成转矩 c)两两通电时合成转矩,y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图,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,（2）三三通电方式,pmsm和bldc电机的工作原理,y联结三三通电方式的控制原理图,y联结三三通电方式相电压和线电压波形,pmsm和bldc电机的工作原理,三三通电时的合成转矩矢量图,导通时合成转矩 导通是合成转矩 c)三三通电时合成转矩,bldc电机稳定运行机械特性方程,（3）bldc电机运行性能和传递函数,：电机转速（r/min）； ：电源电压（v）； ：功率开关压降（v）； ：电动势系数； ：电动机产生的电动转矩平均（n.m）; ：转矩系数； ：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,：电动机负载阻转矩； ：电动机转子飞轮力矩 （ ）， （ 为转动惯量）,pmsm和bldc电机的工作原理,bldc电机传递函数,：电动势传递系数， ：转矩传递系数， ：电磁时间常数，,bldc电动机动态结构图,pmsm和bldc电机的工作原理,（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）,永磁同步电机控制方式,pmsm和bldc电机的工作原理,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 和 ，从而 调节转矩 和实现弱磁控制。 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,1、工作原理,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,2、foc特点,pmsm电机的foc控制策略,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。,3、foc控制方式,pmsm电机的foc控制策略,控制 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 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。,pmsm电机的foc控制策略,4、坐标变换,（1）clarke（3s/2s）变换,：三相绕组每相绕组匝数 ：两相绕组每相绕组匝数,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。,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,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,坐标系变换矩阵：,可得,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,于是,pmsm电机的foc控制策略,两个交流电流 和两个 直流电流 ，产生同样 的以同步转速 旋转的合 成磁动势,轴和矢量 都以 转速 旋转，分量 的长短不变。 轴与 轴 的夹角 随时间变化,（2）park（2s/2r）变换,pmsm电机的foc控制策略,由图可见， 和 之间存在下列关系,坐标系变换矩阵：,写成矩阵的形式，得,pmsm电机的foc控制策略,由三组六个开关 （ ）组成。 由于 与 、 与 、 与 之间互为反向，即一个接通， 另一个断开，所以三组开关有 种可能的开关组合,pwm逆变器模型,（3）电压空间矢量,pmsm电机的foc控制策略,若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。则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,逆变器的输出电压 用空间电压矢量来表示，依 次表示为,逆变器非零电压矢量输出时 的相电压波形、幅值和电压 状态的对应关系图 电压状态和开关状态均以6 个状态为一个周期，相电压 幅值为两种： 和,pmsm电机的foc控制策略,把逆变器的7个输出电压状态放入空间平面内，形成 7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量 在空间的位置相隔60角度，6个工作电压空间矢量 的顶点构成正六边形,pmsm电机的foc控制策略,选定定子坐标系中的 轴与 矢量复平面的实轴 重合，则其三相物理量 的 矢 量 为：,式中 复系数，旋转因子， 旋转空间矢量 的某个时刻在某轴线 轴上的 投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。,pmsm电机的foc控制策略,若 三相负载的定子绕组接成星形，其输出电 压的空间矢量 的 矢量变换表达式为,对于状态“1” 时；可知,则,pmsm电机的foc控制策略,电压空间矢量的结论：,逆变器六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差60度； 电压空间矢量的幅值不变，都等于 ，因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点； 六个电压空间矢量的顺序如下，它们依次沿逆时针方向旋转； 零电压状态7位于六边形中心。,pmsm电机的foc控制策略,5、foc基本方程,sm-pmsm的电压和磁链方程,：定子相绕组 ：定子相绕组电感 ：定子相绕组互感 ：转子电角度 ：转子永磁磁链,其中,pmsm电机的foc控制策略,说明：交轴电流 和转矩是线性关系，而直轴电流 对转矩没有影响。 如果 为电机额定电流，当 时产 生最大转矩（ ）。,磁链转矩方程,pmsm电机的foc控制策略,6、foc的组成,（1）svpwm模块。采用先进的调制算法以 减少电流谐波、提高直流母线电压 利用率； （2）电流读取模块。通过精密电阻或电 流传感器测量定子电流；,pmsm电机的foc控制策略,（3）转子速度/位置反馈模块。采用霍尔 传感器或增量式光电编码器来准确 获取转子位置和角速度信息，也可 采用无传感器检测算法进行测量； （4）pid控制模块； （5）clark、park及reverse park变换模 块。,pmsm电机的foc控制策略,7、foc原理图,pmsm电机的foc控制策略,（1）将电流读取模块测量的相电流 和 ， 经过clark变换将其从三相静止坐标系变 换到两相静止坐标系 和 ； （2） 和 与转子位置 结合，经过park变换 从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系 和 ； （3）转子速度/位置反馈模块将测量的转子角 速度 与参考转速 进行比较，并通过pi 调节器产生交轴参考电流 ；,pmsm电机的foc控制策略,（4）交、直轴参考电流 与实际反馈的交、 直轴电流 进行比较，取直轴参考电流 为0。再经过pi调节器，转化为电压 和 ； （5）电压 和 与检测到的转子角位置 相结 合进行反park变换，变换为两相静止坐标 系的电压 和 ； （6）电压 和 经过svpwm模块调制为六路开 关信号从