第六章永磁电机驱动系统

.,第六章永磁电机驱动系统的组成和工作原理,一、永磁无刷电机的分类二、永磁同步电机的结构三、永磁同步电机的工作原理四、永磁同步电机的数学模型及控制系统,.,一、永磁同步电机的分类,PMSM和BDCM每相励磁磁场强度波形a)PMSMb)BLDCM,永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动车用电动机研发与应用的热点。永磁无刷电动机可以分为：由方波驱动的无刷直流电动机系统(BLDCM)由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM),.,一、永磁同步电机的分类,永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单的优点,但是由于换相电流很难达到理想状态,因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域,BLDCM系统具有一定的优势,得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值,已经受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本得到了普遍的应用,是一种比较理想的电动汽车驱动系统。,.,永磁同步电机相比交流异步电机优势,1、效率高、更加省电：a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗（铜耗）；b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效率值要高很多。c、由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。d、系统效率高：永磁电机参数，特别是功率因数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电机（如可以100极以上），这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了传动效率。,.,永磁同步电机相比交流异步电机优势,2、功率因数高：由于永磁同步电机在设计时，其功率因数可以调节，甚至可以设计成功率因数等于1，且与电机极数无关。电机的功率因数高有以下几个好处：a、功率因数高，电机电流小，电机定子铜耗降低，更节能；b、功率因数高，电机配套的电源，如逆变器，变压器等，容量可以更低，同时其他辅助配套设施如开关，电缆等规格可以更小，相应系统成本更低。c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制，在电机配套系统允许的情况下，可以将电机的极数设计的更高，相应电机的体积可以做得更小，电机的直接材料成本更低。,.,永磁同步电机相比交流异步电机优势,3、电机结构简单灵活：由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电机转子结构设计更为灵活。4、可靠性高：由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制，便于实现电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率高的减速箱，增加了机械传动系统设计的可靠性和灵活性。,.,永磁同步电机相比交流异步电机优势,5、体积小，功率密度大：电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活性，可以省去电机内许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。6、起动力矩大、噪音小、温升低：a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行时的噪音小；b、转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电机温升低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右；同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。,.,（1）价格较高：磁钢价格较高。（2）弱磁能力低：由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗；（3）起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带来一定的风险。,永磁同步电机缺点,.,二、永磁同步电机的结构,图5-57交流永磁电驱动系统a)交流永磁电驱动系统b)永磁电机控制器内部结构,交流永磁电驱动系统由交流永磁电动机和控制器组成。,.,正弦波永磁同步电动机驱动系统的基本组成框图,二、永磁同步电机的结构,.,模拟结构图,二、永磁同步电机的结构,定子绕组一般制成三相绕组。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。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。,.,实物结构图,二、永磁同步电机的结构,.,贴面转子结构,二、永磁同步电机的结构,.,（1）表面凸出式结构,表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状。可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能；具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小、动态响应快、转矩脉动低等优点。但由于弱磁调速范围小，功率密度低，所以与其他转子结构相比在电动车驱动力一面没有优势。1997年本田汽车公司PLUS电动车的驱动电机采用了这种结构的永磁同步电机。日前可在矩形波永磁同步电动机的恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中应用。比较适合用作汽车的电子伺服驱动：如汽车电子动力力一向盘的伺服电机。,.,（2）表面插入式结构,可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善。制造工艺也较简单。但漏磁系数和制造成本都大。这种结构型式的永磁同步电动机为丰田汽车公司的蓄电池电动车RAV4所采用。本田汽车公司PLUS电动车的第一代驱劝电机也采用了这种结构。,.,a）内置径向式b）内置切向式c）内置混合式,内置式转子结构,内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩。磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速.扩大恒功率范围运行。内置式结构的永磁体位于转子内部。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式二种。日前国内外电动车驱动以采用径向式结构的居多。,（3)内置式转子结构,.,调速永磁同步电动机结构示意图,l转轴2轴承3端盖4定子绕组5机座6定子铁心7，8永磁体9转子铁心10风扇11风罩12位置、速度传感器13，14电缆15专用变频驱动器,.,自行车电机,永磁同步电机结构,工业电机,汽车电机,.,三、永磁同步电机的工作原理,由于电机定子三相绕组中接入三相对称交流电产生旋转磁场，用旋转磁极N、S来模拟。根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋转磁极与永磁磁极起始相对位置如何定子的旋转磁极总会由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转速可表示为:,同步,.,三相同步电机的可逆运行,三、永磁同步电机的工作原理,.,1、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。,四、永磁同步电机的数学模型及控制系统,：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：,1、永磁同步电机的数学模型,.,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：,1、永磁同步电机的数学模型,.,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：,1、永磁同步电机的数学模型,.,（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）智能控制,永磁同步电机控制方式,2、永磁同步电机的控制系统,.,永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电动机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。,（1）PMSM电机的FOC控制策略,.,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,（1）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,（1）PMSM电机的FOC控制策略,.,3、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。,（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,（1）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,（1）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,（1）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,（1）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,（1）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,（1）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”,（1）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,（1）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,（1）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。,（1）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,（1）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。,（1）PMSM电机的FOC控制策略,.,永磁无刷电机位置信号,永磁同步电机位置信号,.,永磁无刷电机三相反电动势与三相电流,永磁同步电机三相反电动势与三相电流,.,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。,5、FOC控制方式,（1）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。,（1）PMSM电机的FOC控制策略,.,Ld=Lq：,LdLq：,电流极限圆,电压极限椭圆,恒转矩曲线,永磁同步电机的基本特性,.,不同的控制策略，可能导致不同的电机；而同一种电机，采取不同的控制策略，则会有不同的效果。因此，对应不同的设计指标，电磁设计必须和控制策略匹配，才能总体上产生一个最佳的效果。,永磁电机的dq轴旋转坐标系,5、FOC控制方式,.,（1）Id=0控制（磁场定向控制）,控制是矢量控制中的一个特殊的控制方法，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，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，即=90，电机转矩中只有永磁转矩分量。,例如：表贴式永磁同步电机。,磁场定向控制时的相量图,为什么表贴式永磁电机都适合用这种控制方式？,表贴式永磁电机的交直轴电感相等，不可能有磁阻转矩存在。,适用于恒速运行，以及调速范围要求不高的场合。,.,（2）最大转矩/电流控制,SPM电机的定子电流矢量轨迹,最大转矩/电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制，是凸极式永磁同步电动机用的较多的一种电流控制策略。对于隐极式永磁同步电机（大多数表贴式永磁电机）来说，最大转矩/电流控制就是id0控制。,电流矢量应满足的两条件,SPM电机,.,（2）最大转矩/电流控制,IPM电机的定子电流矢量轨迹,最大转矩/电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制，是凸极式永磁同步电动机用的较多的一种电流控制策略。对于隐极式永磁同步电机（大多数表贴式永磁电机）来说，最大转矩/电流控制就是id0控制。,电流矢量应满足的两条件,其中为电机的凸极率，=Lq/Ld,IPM电机,.,（3）弱磁控制,弱磁控制的思想来自于他励直流电动机的调磁控制（通过降低他励直流电动机的励磁电流大小，可拓宽其转速范围）。而对于永磁同步电机来说，励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。,.,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；,（1）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ReversePark变换模块。,（1）PMSM电机的FOC控制策略,.,7、FOC原理图,（1）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