永磁电机矢量控制技术与应用

1、1 主主 要要 内内 容容 一、矢量控制基础一、矢量控制基础 由来、趋势、矢量含义、坐标变换、基本思想由来、趋势、矢量含义、坐标变换、基本思想 二、永磁电机动态数学模型与基本控制方法二、永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程、基本特性、控制方法假定条件与状态方程、基本特性、控制方法 三、永磁电机矢量控制系统与分析三、永磁电机矢量控制系统与分析 系统框图、各部分说明系统框图、各部分说明 四、永磁电机矢量控制系统在电动汽车中的应用四、永磁电机矢量控制系统在电动汽车中的应用 2 矢量控制基础矢量控制基础矢量控制技术的由来矢量控制技术的由来 交流变频技术发展过程按其控制方式可分为四代：

2、交流变频技术发展过程按其控制方式可分为四代： 第第1代代V/f恒定和正弦脉宽调制恒定和正弦脉宽调制(SPWM)控制控制 第第2代代电压空间矢量控制电压空间矢量控制(又称又称SVPWM、磁通轨迹法、磁通轨迹法) 第第3代代矢量控制矢量控制 第第4代代直接转矩控制直接转矩控制 矢量控制硬件基础：矢量控制硬件基础：20世纪世纪60年代起，微处理器、大规模集成电路等微年代起，微处理器、大规模集成电路等微 电子技术、快速电力半导体变流装置迅速发展；电子技术、快速电力半导体变流装置迅速发展； 矢量控制理论基础：矢量控制理论基础：20世纪世纪70年代初期两项突破性研究成果：年代初期两项突破性研究成果： 德国

3、西门子德国西门子FBiaschke等提出的等提出的“感应电机磁场定向的控制原理感应电机磁场定向的控制原理”； 美围美围P.CCustman等申请专利等申请专利“感应电机定子电压的坐标变换控制感应电机定子电压的坐标变换控制” ； 3 高压大容量矢量控制变换装置的研制：多电平，高压大容量矢量控制变换装置的研制：多电平，10MVA 数字电流控制系统的高速化；数字电流控制系统的高速化； 电机的非线性补偿：参数饱和，铁耗估算与补偿电机的非线性补偿：参数饱和，铁耗估算与补偿 最大效率控制；最大效率控制； 调速范围拓展；调速范围拓展； 参数的在线检测；参数的在线检测； 无位置传感器的矢量控制速度观测：无位置

4、传感器的矢量控制速度观测：MRAS 矢量控制基础矢量控制基础永磁电机控制技术的发展方向永磁电机控制技术的发展方向 4 240sin 120sin sin 1 1 1 tIi tIi tIi mSC mSB mSA )(32 2 SCSBSAS iiiI 永磁电机定子绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时永磁电机定子绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时 常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示 空间向量表示。矢量指得是定子电压、电流、磁链等空间矢量，该类矢量通过三

5、空间向量表示。矢量指得是定子电压、电流、磁链等空间矢量，该类矢量通过三 相定子变量合成得到。相定子变量合成得到。 120sin120cosj 矢量控制基础矢量控制基础矢量的基本含义矢量的基本含义 为旋转因子，为旋转因子， 5 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 ABC T 三相三相/2相变换：根据变换前后功率不相变换：根据变换前后功率不 变的约束条件，以定子电流为例：变的约束条件，以定子电流为例： C B A ABC C B A i i i T i i i i i i 3 2 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 0 SSS jii

6、I 矢量控制基础矢量控制基础坐标变换坐标变换 6 旋转变换：根据变换前后功率不变的旋转变换：根据变换前后功率不变的 约束条件，以定子电流为例：约束条件，以定子电流为例： 000 100 0sincos 0cossin u u u T i i i i i i dqq d 100 0sincos 0cossin dq T SqSdS jiiI 矢量控制基础矢量控制基础坐标变换坐标变换 7 矢量控制基础矢量控制基础图解各变量之间关系图解各变量之间关系 ABC T SA i dq T SB i SC i Sd i Sq i S i S i S i S i Sd i Sq i SA i 8 矢量控制是一

7、种高性能交流电机控制方式，它基于交流电机矢量控制是一种高性能交流电机控制方式，它基于交流电机 的动态数学模型，通过对电机定子变量（电压、电流、磁链）进的动态数学模型，通过对电机定子变量（电压、电流、磁链）进 行三相行三相/2相坐标变换，将三相正交的交流量变换为两相正交的交相坐标变换，将三相正交的交流量变换为两相正交的交 流量，再通过旋转变换，将两相正交的交流量变换为两相正交的流量，再通过旋转变换，将两相正交的交流量变换为两相正交的 直流量，采用类似于他激直流电机的控制方法，分别控制电机的直流量，采用类似于他激直流电机的控制方法，分别控制电机的 转矩电流和励磁电流来控制电机转矩和磁链，具有直流电

8、动机类转矩电流和励磁电流来控制电机转矩和磁链，具有直流电动机类 似的控制性能。似的控制性能。 矢量控制基础矢量控制基础矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想 9 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程假定条件与状态方程 以三相两极永磁无刷电机为以三相两极永磁无刷电机为 例，分析永磁无刷电机的一般化例，分析永磁无刷电机的一般化 数学模型，并作如下假设：数学模型，并作如下假设： （1）定子绕组）定子绕组Y形接法，三相绕形接法，三相绕 组对称分布，各绕组轴线在空间组对称分布，各绕组轴线在空间 互差互差120； （2）忽略定子铁心和转子铁心）忽略定子铁心

9、和转子铁心 的涡流损耗和磁滞损耗；的涡流损耗和磁滞损耗； （3）采用饱和参数近似计算磁）采用饱和参数近似计算磁 路饱和效应的影响；路饱和效应的影响； （4）定子绕组参数不随温度和）定子绕组参数不随温度和 频率变化。频率变化。 10 定子电压方程矩阵形式：定子电压方程矩阵形式： t I iRu s ss d ,d mC mB mA C B A CCCBCA BCBBBA ACABAA sC sB sA i i i ILIMIM IMILIM IMIMIL I I I , , , , , , 1202cos 1202cos 2cos 210 210 210 LLLL LLLL LLLL CC BB

10、 AA 1502cos 902cos 302cos 210 210 210 MMMMM MMMMM MMMMM CAAC CAAC CAAC 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程假定条件与状态方程 11 能量法：永磁无刷电机运行时，当外电源注入电机的电流恒定能量法：永磁无刷电机运行时，当外电源注入电机的电流恒定 ，电机的轴输出功率和定子磁场中能量的增量分别等于外电源注，电机的轴输出功率和定子磁场中能量的增量分别等于外电源注 入电机的净功率的一半：入电机的净功率的一半： m T ss T smech iiLiW 2 1 2 1 虚位移原理：保持

11、三相定子电流不变时，采用电角度虚位移原理：保持三相定子电流不变时，采用电角度 代替广代替广 义位移义位移 时，广义力便为电机的轴输出电磁转矩时，广义力便为电机的轴输出电磁转矩 ：g d d 2 1 2 1 22 m T ss T s p consti mech p m ii L i n W n T s 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程假定条件与状态方程 12 对永磁电机数学模型作对永磁电机数学模型作 进一步假设：进一步假设： （1）忽略定子绕组漏磁链互）忽略定子绕组漏磁链互 感；感； （2）定子绕组相漏感和互感）定子绕组相漏感和互感 随着

12、电机转子位置的变化呈随着电机转子位置的变化呈 正弦变化规律；正弦变化规律； （3）定子电流为对称的正弦）定子电流为对称的正弦 波电流；定子空载反电动势波电流；定子空载反电动势 为正弦波波形；为正弦波波形； （4）电机定子绕组的）电机定子绕组的A相绕相绕 组轴线组轴线As作为转子零位置。作为转子零位置。 t i i i t I I L i i i t L i i i t L i i i t LLLL LLLL LLLL i i i R R R u u u m C B A C B A C B A C B A C B A C B A d d 120cos 120cos cos d d d d 120

13、2cos1502cos902cos 1502cos1202cos302cos 902cos302cos2cos d d 1202sin1502sin902sin 1502sin1202sin302sin 902sin302sin2sin 2 d d 1202cos1502cos902cos 1502cos1202cos302cos 902cos302cos2cos d d 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1011 1101 1110 1 1 1 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程假定条件与状态方程 13 经坐标变

14、换，得到：经坐标变换，得到： 0 0 000 0 d d d d 2 3 0 00 d d d d 2 3 d d 000 001 010 000 0 2 3 0 00 2 3 000 001 010 00 0 2 3 0 00 2 3 d d 00 0 2 3 0 00 2 3 0 2 2 00 2 2 0 0 10 10 0 0 10 10 01 1 1 0 meq d q d q d e q d e q d q d q d i i i t I I L t I I L i i i t i i i L L i i i L LL LL i i i t L LL LL i i i R R R u

15、 u u 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程假定条件与状态方程 14 直轴电感：直轴电感： 交轴电感：交轴电感： 210 210 2 3 2 3 2 3 2 3 LLLL LLLL q d 1 0 d d d d d d d d d d 0 0 1 1 me q d qd qd q d e d q q d q d q d q d i i t I I LL t I I LL i i L L i i tL L i i R R u u qdqdqm p m iiLLi n T 2 3 2 电压方程：电压方程： 转矩方程：转矩方程： 永磁电机动态数

16、学模型简化为：永磁电机动态数学模型简化为： 定义：定义： 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程假定条件与状态方程 15 Ld=Lq： LdLq： 电流极限圆电流极限圆电压极限椭圆电压极限椭圆恒转矩曲线恒转矩曲线 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 基本特性基本特性 16 Id=0Id=0控制控制 最大转矩最大转矩/ /电流比控制电流比控制 恒功率弱磁控制恒功率弱磁控制 最大功率控制最大功率控制 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 基本控制方法基本控制方法 17 1、Id=0控

17、制：控制： smem ipT 22 limmaxmqemm LTpu 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 基本控制方法基本控制方法 18 2 2、最大转矩、最大转矩/ /电流比控制：电流比控制： 0 q sem d sem i iT i iT 22 lim 2 2 2 2 4 dq qd qqdmm d iii LL iLL i qd qmqd mq b LL CLCLL iLp u 16 8 2 2 2 lim lim )8( 2 lim 2 2 iLLC qdmm 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 基本控制方法基本控制方

18、法 19 3、恒功率弱磁控制：、恒功率弱磁控制： 22 lim 2 22 lim dq d qq ded m d iii L iL L u L i 2 22 limmddqq iLiLu 22 max )()( 1 qqddm s n b ILIL U p 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法 基本控制方法基本控制方法 20 4、最大功率控制：、最大功率控制： 0 1 d i P d d m d q dd q i L i L iLu i 22 lim d mm d L u i 14 18 2 lim 22 永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与

19、基本控制方法 基本控制方法基本控制方法 21 经典永磁电机矢量控制系统（经典永磁电机矢量控制系统（SPM电机）电机） 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 系统框图系统框图 22 经典永磁电机矢量控制系统（经典永磁电机矢量控制系统（IPM电机）电机） 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 系统框图系统框图 23 电压补偿式永磁电机矢量控制系统（电压补偿式永磁电机矢量控制系统（IPM电机）电机） 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 系统框图系统框图 24 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 系统框图系统框图 25 d U d C

20、 61 TT 61 DD 为直流电源（为直流电源（V V）；）； 为中间直流回路支撑为中间直流回路支撑 （滤波）电容（滤波）电容（F F）；）； 为为6 6个功率开关管；个功率开关管； 为为6 6个续流二极管；个续流二极管； qdqdqm p m iiLLi n T 2 3 2 电压方程：电压方程： 转矩方程：转矩方程： )( mddrqqqq qqrdddd iLpiLiRu iLpiLiRu 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 三相逆变器与永磁电机系统三相逆变器与永磁电机系统 26 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 旋转变压器旋转变压器 27 2 1

21、3 2 sin 3 2 cos 2 1 3 2 sin 3 2 cos 2 1 sincos 3 2 dqABC T 2 1 2 1 2 1 3 2 sin 3 2 sinsin 3 2 cos 3 2 coscos 3 2 ABCdq T 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 坐标变换坐标变换 28 电机输出特性需求电机输出特性需求 恒转矩区域恒转矩区域 恒功率区域恒功率区域 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 电流控制参数电流控制参数 29 mddqqqq qqdddd iLipLiRu iLipLiRu 1 1 mddq qqd iLu iLu * * * * qqq ddd uuu uuu 永磁电机电压方程：永磁电机电压方程： 电压解耦控制环节：电压解耦控制环节： 控制电压量：控制电压量： 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 电压前馈控制电压前馈控制 30 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 电流电流PIPI调解器调解器 一般式：一般式： 抗饱和式：抗饱和式： 31 永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析 SVPWMSVPWM （