永磁同步电机的矢量控制原理

1、201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理干货I永磁同步电机的矢量控制原理2018-04-23三交产研新能源;气车产业发展联盟晨新发布：2018全球NEV行业技术&市场全收罗！永磁同步电机的矢量控制原hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 1/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.co

2、n>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理黄飞华南理工大学自动化科学与工程学院hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc57

3、6acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064

4、a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&

5、amp;mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理,力矩惯

6、量比较大,关键词：矢量控制 坐标变换 SVPWMV丿1. 永磁同步电动机简介永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、 效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和 电刷等缺点。和其他类型交流电动机相比，它由于没有 励磁电流，因而效率高，/ 定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制 性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难 等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置， 简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统 能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控 制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者 的广泛关注。近些年，人们对它的研究也越来越感兴

7、趣, 在医疗器械、化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计 算机外j殳、仪器仪表、微型汽车和电动自彳亍车等领域 中都获得应用。 1.1永磁同步电机系统的结构永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转 子、机体。定子绕组通过三相交流电，产 生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用 永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产 生的旋转磁场的作用下，开始旋转。V丿hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc57

8、6acba4c60 3/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&#/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f

9、4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&#/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&#/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理2. 坐标变换 2.1坐标变换坐标变换，从数学角度看，就是将方程中 原来的

10、一组变呈，用一组新的变量来代替。 线性变换是指这种新旧变量之间存在线性 关系。电动机中用到的坐标变换都是线性 变换。在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种 是固定在定子上的它相对我们是静止的. 即：60坐标系，它的方向和定子三相绕 组的位置相对固定，它的方向定位于定子 绕组A相的产生磁势的方向，另一种是匡 定在转子上的旋转坐标系我们通常称之 为d,q坐标，其中d轴跟单磁极的N极方 向相同，即和磁力线的方向相同，q轴超 前d轴90度下图所示。https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&

11、;sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&#/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&#/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? bi

12、z= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&7/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理在矢量控制中，我们获取的是定子绕组上 的三相电流，所以我们还需要做的一个问 题是怎么把三相电流产生的电流矢量等效 至Ila,P坐标系中和d3q坐标系中去。先讨论坐标系和A, B, C三相之间的 变换（以电流为例）。V丿对于任意矢量有：7 = 7 +7 +7.a b e同时有：r V r/ =/< +9把电流

13、在上图进行分解旳侍分别是向量在a轴0轴A轴B轴和C轴上 的投影V/ip =jcos3(r (：0530"i. = it/ - isin 30"Tjsin30"https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=M

14、zAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 9/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理考虑到电枢绕组在不同坐标系的合成磁势 相等和功率不变等因数，需要在它前面加 了个系数。考虑到电枢绕组在不同坐标系的合成磁势相等和功率不变等因数,需要在它前面加了个系数。a(i! abc变换也称Clarke变换abc/ apL <abc/ a0 :变换也称为Clarke逆变换变换也称为Clarke逆变换hllpsi/

15、mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理a0/dq （Park变换）和其逆变换f dX/ /7 Q«OBIAL<cosOsin 8-sin 8cos 6cos 8sin 8-sin 0cos0https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&am

16、p;mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 11/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理丿由于

17、矢量控制能为永磁同步电机带来像直 流电机一样的调速性能，而矢量控制又是 建立在坐标变换理论下的体系，因此我们 有必要讨论一下永磁同步电机在d，q坐标 系下的数学模型。其电路方程如下：V丿-i + 匕，如 恥vmiqi,：q, d轴方向的电流分戢v ,比q,d轴方向的电压分量叫转子角速度1电磁转矩系数.P定子磁极对数7；电磁转矩转矩方程如下：7； = 1 5兀力.+ （乙-£V丿在永磁同步电机中通常采用id = O,所以可见电磁转矩和q轴电流成正比，只要对电流进行控制就达到了控制转矩 的目的。同时这样也能保证最大的输出转矩。其运动方程如下：https7/mp.vin,qq .con&g

18、t;rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 13/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 #/232

19、01&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理其中TL,J分别为电机的阻转矩和转动系统的转动惯量https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理3矢量控制原理介绍3矢量控制原理介绍蠶勰書翳饕褰翳躍髓謡籐蠶顎薜实现模拟直 一、根据磁势和功率不变的原则通过正交变换，将三相静止坐标变换成二相 静止坐

20、标，也就是Clarke变换，将三相的电流先转变至L静止坐标系，再 通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标，也就是Park变换， Park变换中定子电流矢量被分解成按转子磁场定向的2个直流分量id、 iq（其中id为励磁电流分量,iq为转矩电流分量）。二、通过控制器对其速度电流环进行控制，控制id就相当于控制磁通，而控制iq就相当于控制转矩。Iq调节参考量是由速度控制器给出，经过电流环调节后得出其d,q轴上的电压分量即ud和uq；.三、控制量ud和uq通过Park逆变换。四、根据SVPWM宇间矢量合成方法实现矢量控制量输出，达到矢量控制 的目的。https7/mp.vin,qq .con&g

21、t;rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c60 15/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理4 SVPWM产生原理 SVPWM是空间电压矢量PWM波产生， 它具有电压利用率高、低谐波成分、开关 次数少和功率管功耗小等特点。同时， SVPWM还能很好的结合矢量控制算法， 为矢量控制得实现提供很好的途径，以最 大限度的发挥设备的性能。因此被越來越 多的变频设备所采用。V)I 4. 1电压空

22、间矢量SVPWM技术的基本原理电压矢量与磁链矢量的关系：当用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时，电动机的定手磁链空间矣量幅值恒 定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空 间旋转磁场（磁链圆）。因此如果有一种方法，使得逆变 电路能向交流电动机提供可变频、并能保证电动机形成 定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。电压空间矢量是按照电压所加在绕组上的空间位置来定的。;75电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系 B .hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=

23、4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 17/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4

24、NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 19/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制

25、原理当转速不是很低的时候，定子电阻R的压降相对较小这是一个特殊的坐标系，它有三个轴，互 相间隔120度，分别代表三个相。三相定 子相电压Ua, Ub, Uc,分别施加在三相 绕组上，形成三个相电压空间矢量Ua, Ub, Uc,它们的方向始终在各相的轴线上，大 小则随着时间按正弦规律变化。因此，三 个相电压空间矢量相加所形成的一个合成 电压空间矢量是一个以电源角频率w速度 旋转的空间矢車：U = “八+ UB + “C同样的，也可以定义电流和磁链的空间矢 量I和。因此有hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091

26、&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理该式说明，当磁链幅值怜一定时，U的大小与3成正比，或者说供电电压与频率f成正比。其方向是磁链轨迹方向的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电加压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动弧度，其运动轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电此图是一个典型的电压型PWM逆变器。利用这种逆变器功率开关管的开 关状态和顺序组台，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运 行轨迹

27、为目标，就可以产生谐玻较少的、且直流电源利用率较高的输岀。V丿 SVPWM是通过三相交流逆变桥的6个开关的不同导通 模式产生不同的电压基本矢量，通过矢量合成，来合成 任意矢量(在实际允许范围內)，通过导通时间的不同 大小，来确定矢量的大小，这也就是PWM调制的原理。 上图是一个典型的电压源型PWM逆变器模型。令日二0, 表示在第一组桥臂中：上桥臂截至，下桥臂导通，a=1, 表示第一组桥臂中：上桥臂导通，下桥臂截至，同理定 义b,c对应于第二组桥臂和第三组桥臂中上下桥臂的导 通关系，因为实际的工作状态不允许逆变的同一组桥臂 同时导通，V(a,b,c)有8种导通状态即V (000), V (001

28、), V (010), V (011), V (100), V(101), V (110), V(111)ov)https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢 量IZab Ubc Ccat与开关状态矢量：abcT的关 系为: rl-10 aJ01-1bPc.-10

29、1c 白勺关系为三相逆变器输出的相电压矢量WaUb "ct与开关状态矢量abcThttps7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn

30、=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= Mz

31、AxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同

32、步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理ahcU°U%0000000001002U/3U/3如3Ua:0讥110如/3U/3-2U/30Uoc%0107(32% 13讥讥%001121/乂/3S%0“DC001S%/32UJ30%101U/3-2U/3%I3%01

33、11000000https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&

34、;chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理https7/mp.vin,qq .con>rs? biz= MzAxODg4Njk4Ng=&mid=2247499091&如4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chlsm=9bcdc576acba4c61S/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&

35、amp;sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=Mz

36、AxODg4NjWNg=&mid=2247499091&如 4&sn=4f4dc064a526f958527b537805d8712a&chksm=9bcdc576acba4c6 #/23201&5/7T货|朋磴同步电机的矢歌控制原理 SVPWM通过这六个基本向量和零向量来 合成我们所需的向量，可见这六个向量把 向量空间分为六部分，在不同区间内，向 量都可使用它邻近的两个基本向量来进行 合成，可以使用PWM的概念通过占空比 来调节基本的大小，通过在采样周期内导 通时间的控制来近似被调制向量在该方向 上的大小。V丿 A,B,C三相在空间上相差120度，通过

37、矢 量合成可以得到V(a,b,c)在空间上形成电 压空间矢量，可见，除V(000)和V(1") 以外(通常把这两个向量称为零向量)， 它们在空间上成对称的正六边形，其所在 圆的半径为VSoV丿如果向量如图所示位置则：T,：V=V1+V2-V=V( 110)T,+V(100)T,+V(000)Tot=t.+t2+t0V(I1O)状态的导通时间.v(ioo)状态的导通时间，牢向量的导通时间.采样周期目前最流行的是七段式电压空间矢PWM 波形，它由3段零矢量和4段相邻的两个非 零向量组成，3段零矢量分别位于PWM波 的开始、中间和结尾。每个PWM波的零 矢量和非零矢量施加的顺序，以及所对应 的时间都可以从下图得到。hllpsi/mp.wen.qq.con>s?_biz=MzAxODg4NjWNg=&mid=2247499