第六章-永磁同步电机控制技术PPT课件

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,同步电机异步电机,3,电励磁：直流励磁永磁,鼠笼：感应双馈：交流励磁,电刷/滑环,电刷/滑环,.,概述,永磁同步电机,高效率高功率密度控制相对简单,4,.,概述,效率比较(400kW牵引电机),5,.,6,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,.,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,8,开关器件：晶闸管电流型变流器有源逆变方式,.,概述,永磁牵引系统的主要应用,阿尔斯通,9,AGV：720kW/4500rpmCitadis:120kW/3600rpm,.,概述,永磁牵引系统的主要应用,10,西门子,Syntegra：直驱,.,概述,永磁牵引系统的主要应用,庞巴迪,11,Mitrac永磁牵引系统单轨车,斯柯达,100%低地板车：46kW,.,概述,永磁牵引系统的主要应用,东日本铁路,12,103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,.,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,矢量控制,直接转矩控制,14,控制简单,性能低,不适合牵引传动,控制较复杂,性能高,适合牵引传动,控制复杂,性能较高,应用不多,.,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,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),17,同一空间矢量在不同坐标系下的投影,.,数学模型,坐标变换,abcab0,abdq0,18,常系数变换,时变系数变换,q为d轴与a轴的夹角,.,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,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:LdsLqs各电气量由交流量变为直流量,22,d轴与转子N极轴线重合,.,数学模型,转矩方程,SPM,IPM,23,励磁转矩,磁阻转矩,.,数学模型,状态方程,24,系统输入：dq轴电压,状态变量：dq轴电流、转速,电流方程,.,数学模型,PMSM模型框图,25,.,数学模型,PMSM模型框图,定子电压,定子电流,电磁转矩,转速,26,快过程,慢过程,.,数学模型,小结,27,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,.,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,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,转速指令,转矩,控制系统模型：双环结构,电机模型,转矩指令,电流指令,定子电压,定子电流,转速,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,32,永磁同步电机,异步电机,转子位置测量,需要,不需要,磁链观测,不需要,需要,磁链控制,弱磁时需要,需要,参数鲁棒性,高,低,转矩控制性能,高,较高,.,矢量控制,两种电流分配方案,33,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,.,矢量控制,34,ids=0控制,.,矢量控制,35,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,.,矢量控制,36,MTPA,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。,.,矢量控制,37,IPM-MTPA问题,Min,Sj.,拉格朗日函数,求解：,结果：dq电流关系,.,矢量控制,38,IPM-MTPA控制方案一,1.实时计算2.离线查表,.,矢量控制,39,IPM-MTPA控制方案二,.,矢量控制,电流解耦控制,40,反馈解耦,电机模型,电流控制器,1.交叉影响2.PI参数设计困难,.,矢量控制,电流解耦控制,41,双PI解耦,电机模型,电流控制器,.,矢量控制,42,参数灵敏度分析,反馈解耦对电感参数灵敏度,双PI解耦对电感参数灵敏度,存在电感误差时反馈解耦电流动态波形,存在电感误差时双PI解耦动态波形,.,矢量控制,两种解耦方法对比,43,反馈解耦,双PI解耦,理想情况下解耦效果,好,好,电感参数鲁棒性,低,高,永磁体磁链参数鲁棒性,低,复杂，调试工作较繁琐,实现难度,简单,高,.,永磁同步电机交直轴磁路,44,（a）直轴磁路,（b）交轴磁路,.,基于Ansoft的电机电感计算,45,600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数,Ansoft流程图,.,基于Ansoft的电机电感计算,46,600kW电机电感随交轴电流变化图,.,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,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,48,电磁转矩合成图,设计转矩,实际转矩,转矩差,励磁转矩,磁阻转矩,.,电感变化对IPMSM控制的影响分析,电感变化对MTPA曲线的影响,49,固定电感的MTPA轨迹和实际电感MTPA轨迹,.,矢量控制,小结,50,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,.,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,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,53,电流限制,电压限制,稳态简化,.,弱磁控制,电压与电流限制,54,SPM,IPM,.,弱磁控制,弱磁转折速度,55,空载转折速度,负载转折速度,弱磁转折速度的影响因素,直流电压,PWM调制方式,电流轨迹达到电压极限时进入弱磁,dq电流分配方式,永磁体磁链,.,弱磁控制,弱磁转折速度,56,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,.,弱磁控制,PMSM的运行范围,57,OA：MTPA运行区,转矩逐渐增大,最大转矩点,SPM,IPM,.,弱磁控制,PMSM的运行范围,58,AB：弱磁I区,A点为电压、电流限制圆与MTPA轨迹的交点,wrc1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,随速度上升，最大转矩下降,SPM,IPM,.,弱磁控制,PMSM的运行范围,59,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,SPM,IPM,.,弱磁控制,弱磁时的最优运行点,60,给定速度和转矩下，电压极限圆上的运行点电流最小,IPM,SPM,.,弱磁控制,弱磁时的最优运行点,61,转矩不变，速度上升，则id反向增大；SPM的iq不变，IPM的iq减小。,IPM,SPM,.,弱磁控制,弱磁时的最优运行点,62,转速不变，转矩增大，则id反向增大，iq增大。,IPM,SPM,.,弱磁控制,现有几种弱磁控制方案,63,双电流环法,单电流环法,电压相位法,.,弱磁控制,双电流环法,64,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,.,弱磁控制,65,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。,.,弱磁控制,66,电压校正法,根据电压饱和自动进入弱磁区；,利用电压误差校正d轴电流指令；,构造q轴电流的校正规律。,.,弱磁控制,双电流环法,67,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,电流调节器极易饱和；,弱磁区电流动态响应慢；常偏离最优点运行。,.,弱磁控制,现有几种弱磁控制方案,68,双电流环法,单电流环法,电压相位法,电压幅值不能调节，只有相位一个控制量,.,弱磁控制,单电流环法,69,直接给定q轴电压,通过d轴电流进行调速,.,弱磁控制,70,原理分析,小信号模型,q轴电压固定,利用了高速区的强耦合性,.,弱磁控制,71,运行点,F点固定,运行在由EF确定的直线上,E点随速度升高向C点靠近,给定速度和转矩下，运行点S2偏离最优点S1,带载能力下降,.,弱磁控制,72,运行过程,沿EF直线迅速由S1点运行到S2点,同一转速，不同负载,同一负载，不同转速,由S1点运行到S2点,.,弱磁控制,q轴电压在线调整,73,接近最优运行点,增加带载能力,.,弱磁控制,现有几种弱磁控制方案,74,双电流环法,单电流环法,电压相位法,电压幅值不能调节，只有相位一个控制量,.,弱磁控制,电压相位法,75,电压幅值固定，调节电压相位,电压相位与转矩间为强非线性关系,控制器不易设计,.,弱磁控制,几种弱磁控制方案对比,76,电压相位法,双电流环,单电流环,是否最优运行点,实际有偏差,有偏差,动态响应,慢,快,参数鲁棒性,低,简单,实现难度,复杂,高,电压相位,是,较慢,较简单,高,是否有电流环,有,有,无,.,弱磁控制,弱磁区保护问题探讨,77,弱磁区发生过流等保护,不能采用封锁驱动脉冲的方式,电机端三相短路，保护逆变器,电机端加装接触器,.,弱磁控制,高速惰行问题,78,q轴电流为0，d轴电流维持弱磁,惰行时接触器断开,效率低,无需切换,效率高,进出惰行区需特殊控制,.,弱磁控制,小结,79,电压限制造成需弱磁，反向d轴电流可弱磁,弱磁区运行在电压极限上较优,几种弱磁方法各有特点,.,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,80,.,无位置传感器控制,开环估计法,81,闭环观测器法,高频信号注入法,带速重投问题,小结,.,无位置传感器控制,开环估计法,82,静止坐标系下电机方程,电压方程,磁链方程,.,无位置传感器控制,开环估计法,83,定子磁链估计,转子磁链估计,转子角度估计,.,无位置传感器控制,开环估计法,84,纯积分的改进,简单直接，动态响应快,估计精度依赖于参数准确性,不适用于低速,.,无位置传感器控制,闭环观测器法,85,静止坐标系下的电机方程,.,无位置传感器控制,闭环观测器法,86,状态观测器,原方程,观测器,.,无位置传感器控制,87,状态观测器框图,.,无位置传感器控制,闭环观测器法,88,引入闭环校正环节,参数鲁棒性高,观测器收敛性问题,不适用于低速,.,无位置传感器控制,高频信号注入法,89,电机凸极效应,电感随转子位置角度而变化,注入高频电压信号后，电流中包含位置信息,.,无位置传感器控制,90,电机凸极效应,电机静止在0位置时，注入高频电压的电流响应,.,无位置传感器控制,91,电机凸极效应,电机旋转时，注入高频电压的电流响应,基波电压与反电势作用产生基波电流，高频电压产生含有位置信息的高频电流,.,无位置传感器控制,92,高频信号注入法流程框图,电流,基波分量,高频分量,高频正序分量,高频负序分量,转子位置信息,.,无位置传感器控制,93,高频信号注入法实验结果,实测角度与观测角度,电流波形,.,无位置传感器控制,小结,94,观测器法与高频信号注入法需结合使用,高频信号注入法适用于低速,观测器法适用于中高速,.,无位置传感器控制,高频信号注入法,95,需要电机具有较强的凸极效应,信号处理复杂，计算量大,参数鲁棒性强,适用于低速,.,无位置传感器控制,带速重投问题,96,电机中速运行,电机定子无电流,惰行后重新投入运行,.,无位置传感器控制,短路电流法,97,基本流程,初始状态：电机旋转，电流为零,逆变器三相上管(或下管)导通，造成电机三相短路，持续短时间Ts，检测短路电流,间隔T时刻后，重复上述过程,利用两次短路电流值计算电机速度及位置,.,无位置传感器控制,98,基本原理,电机方程,短路简化,.,无位置传感器控制,99,短路电流,转速估计,.,无位置传感器控制,100,位置估计,.,实验条件：电机空载，惰行前转速为1000rpm；惰行时间为125ms，分别在距惰行起始点0.04s处与0.055s处短路，短路持续时间1ms，短路完成后继续惰行19ms再重