秦晓飞系列现代交流调速技术永磁同步电动机矢量控制学习教案

1、会计学1秦晓飞系列现代交流调速技术秦晓飞系列现代交流调速技术 永磁同步永磁同步(tngb)电动机矢量控制电动机矢量控制第一页，共53页。第6章 永磁同步电动机矢量(shling)控制 本章按王成元第一版电机现代控制技术第二章的内容进行部分(b fen)讲解。6.1 三相永磁同步电动机的数学模型6.2 三相永磁同步电动机的矢量控制6.3 三相永磁同步电动机的弱磁控制第1页/共53页第二页，共53页。第2页/共53页第三页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型绕线式转子(zhun z)同步电动机转子绕组(roz)用永磁体代替定子绕组保持不变永磁同步电动机Permanent

2、 Magnet Synchronous Motor(PMSMPMSM)永磁同步电动机永磁同步电动机PMSMPMSM的来历的来历第3页/共53页第四页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型直流电动机(dngj)定子(dngz)磁极用永磁体转子代替转子单相电枢用三相定子绕组代替机械换相用电子换相代替，即用三相6拍方波电流代替单相直流电流。永磁同步电动机永磁同步电动机BLDMBLDM的来历的来历无刷直流电动机Brushless DC Motor（BLDMBLDM）第4页/共53页第五页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型永磁同步电动机的分类永磁同

3、步电动机的分类(fn li)(fn li)按控制方式分类按控制方式分类(fn li)(fn li)：广义(gungy)PMSMPMSMBLDM反电动势为正弦波，用正弦波电流驱动。反电动势为方波，用6拍方波电流驱动。本课以PMSM为例进行讲解。第5页/共53页第六页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型永磁同步永磁同步(tngb)(tngb)电动机的分类电动机的分类按转子结构分类：按转子结构分类：PMSM表面(biomin)贴装式表面插入式内装式隐极式凸极式基本原则基本原则：尽可能产生正弦分布的气隙磁场第6页/共53页第七页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同

4、步电动机的数学模型数学模型建立假设前提数学模型建立假设前提(qint)(qint)（1 1）忽略铁芯饱和，不计涡流和磁滞损耗；）忽略铁芯饱和，不计涡流和磁滞损耗；（2 2）永磁材料的电导率为零；）永磁材料的电导率为零；（3 3）转子上没有阻尼绕组；）转子上没有阻尼绕组；（4 4）相绕组中感应电动势波形为正弦。）相绕组中感应电动势波形为正弦。第7页/共53页第八页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型定子电压(diny)和磁链方程 ABC轴系定子电压(diny)：rsss sjs sfs sduR idtd L ieR idt 与感应机不同，PMSM的Ls不一定(ydn

5、g)是常数，给分析带来困难。为此，采用双轴理论来分析，并且取转子永磁体基本磁场轴线为d轴，超前d轴90电角度的位置为q轴，dq轴系以电角速度r随转子一同旋转，它的位置用d轴与A轴之间的角度r确定。双轴理论分析法与感应机的转子磁场定向法本质上是一致的，PMSM的dq轴系与感应机的MT轴系对应。第8页/共53页第九页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型 dq轴系定子(dngz)电压：qs qqrdds ddrquR ipuR ipqq qdd dfd dmdfL iL iL iL i dq轴系定子(dngz)磁链： 其中：qsmqdsmdLLLLLL第9页/共53页第十

6、页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型 dq轴系定子(dngz)电压：qs qqqrd drmdfds dddmdfrq quR iL piL iL iuR iL piLpiL i0003rfeE0qs qqqrd dds dddrq quR iL piL ieuR iL piL i 稳态时：0qs qrd dds drq quR iL ieuR iL i第10页/共53页第十一页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型转矩方程 由电机统一理论(lln)，PMSM的电磁转矩：enssnd qq dnf qdqd qTpipiipiLLi i

7、定义(dngy)定子电流矢量与d轴之间的夹角为转矩角，记为：221sinsin221sinsin22enf sdqsnmdf sdqsTpiLLipL i iLLi磁阻转矩励磁转矩第11页/共53页第十二页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型 PMSM的矩角特性(txng)：PMSM的LdLq，这点与绕线式凸极同步电机正好(zhngho)相反。可用此区域来增强电磁转矩第12页/共53页第十三页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型 对于(duy)隐极PMSM：,dqmdmqmLLLLLsinsinenf snm f snf qnm f qT

8、pip L i ipip L i i =90时，定子电流矢量与转子励磁磁场正交，定子电流的直轴分量为零。此时，单位定子电流产生的转矩最大。 因表面(biomin)贴装式PMSM的有效气隙很大，电感值较小，非常有利于电流的快速控制，所以面装式PMSM具有很快的动态响应速度。第13页/共53页第十四页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型运动方程 由力学(l xu)物理定律可得： 用电角速度表示：rerldTJRTdt rrelnnTJpRTpp第14页/共53页第十五页，共53页。6.1 三相(sn xin)永磁同步电动机的数学模型等效电路 由定子(dngz)电压方程：

9、 可得d、q轴电压等效电路：qs qqqrd drmdfds dddmdfrq quR iL piL iL iuR iL piLpiL i第15页/共53页第十六页，共53页。第16页/共53页第十七页，共53页。6.2 三相永磁同步(tngb)电动机的矢量控制 矢量控制的前提是进行磁场定向，永磁同步电动机转子磁场可以直接通过位置传感器得到。相对于感应电动机必须经过观测才能得到转子磁场要容易的多，因此PMSM的矢量控制要比感应电机容易的多。面装式PMSM的矢量控制 隐极电机没有磁阻转矩，由矩角特性可知，转矩角=90时可得到最大的转矩/电流比，因此隐极PMSM多数情况下采用id=0控制。只有在需

10、要弱磁的时候，才根据(gnj)弱磁情况使id 90时的磁阻转矩可获得较高的转矩/电流比。这有利于弱磁运行，扩大速度范围(fnwi)，又可减少永磁体体积，降低电动机成本。第19页/共53页第二十页，共53页。6.2 三相(sn xin)永磁同步电动机的矢量控制 凸极PMSM的矢量控制可概括为：d、q轴电流指令(zhlng)值id* 、iq*由转矩指令(zhlng)Te*根据最优转矩/电流比曲线确定。 为求得最大转矩/电流比曲线，将电磁转矩和电流标幺化，基值及标幺化结果如下：,fbqdebnf bqedenqndnebbbiLLTpiiTiTiiTii1enqndnTii第20页/共53页第二十一

11、页，共53页。6.2 三相永磁同步电动机的矢量(shling)控制 由标幺化转矩方程，可画出恒转矩曲线（如右图细实线所示）。每条恒转矩曲线上有一点距离(jl)坐标原点最近，即恒转矩曲线与以原点为圆心的圆的切点，这个点便与最小定子电流对应。将每条恒转矩曲线上这样的点连起来便得到了最大转矩/电流比轨迹（如右图粗实线所示）。 轨迹在第二、三象限内分别有一条45和135的渐近线。当转矩值较低时，轨迹靠近q轴，励磁转矩起主导作用；随着转矩增大，轨迹渐渐远离q轴，磁阻转矩的作用越来越大。第21页/共53页第二十二页，共53页。6.2 三相永磁同步(tngb)电动机的矢量控制 求最大转矩/电流比轨迹的解析表

12、达式问题，可转化为如下极值问题： 作辅助函数： 其中(qzhng)为拉格朗日乘子，将F分别对idn，iqn、 求偏导并令其为零: 第22页/共53页第二十三页，共53页。6.2 三相永磁同步(tngb)电动机的矢量控制 可得最大转矩/电流比时的转矩电流关系式： 求反函数： 由于f1和f2表达式计算复杂(fz)，工程中通常提前算出，制成表格供在线查询。由此可构建函数发生器FG1和FG2，通过转矩指令值Te*得到两轴电流指令值id*和iq*。 第23页/共53页第二十四页，共53页。6.2 三相永磁同步电动机的矢量(shling)控制 考虑到电流(dinli)跟踪环节有一定的延迟，当电机转速较高时

13、，此延迟会造成磁场定向不准，从而使系统性能变差。通常高速时在此环节加延迟角补偿。第24页/共53页第二十五页，共53页。第25页/共53页第二十六页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制 弱磁控制的主要目的是增加电机的转速运行范围，通常转折速度以下采用恒转矩控制方式，转折速度以上采用恒功率(gngl)控制方式（弱磁控制）。实现弱磁控制的方法很多，包括超前角弱磁法，前馈弱磁法，基于瞬时无功功率(gngl)弱磁法等。但都是以增加直轴去磁电流为基础的。电流和磁链（电压）约束 电机是由逆变器馈电的，逆变器受其容量的限制馈电能力是有限的：maxmaxssssiiuu22max22m

14、axdqsdqsiiiuuu第26页/共53页第二十七页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制 电机高速运转时，电阻远小于电抗，变压器电动势远小于运动电动势。忽略电枢(din sh)电阻压降和变压器电动势，PMSM的电压方程可写成：定子(dngz)磁链幅值的平方第27页/共53页第二十八页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制 因此定子磁链幅值： 由逆变器电压(diny)限制知，定子磁链也存在极限值： 于是可得PMSM的电流和磁链（电压(diny)）约束方程：第28页/共53页第二十九页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制

15、 为了便于分析，进行(jnxng)标幺化处理： 其中(qzhng) 为额定转速下空载电动势的标幺值，为凸极系数，对于隐极电机 =1，对于凸极电机 1。下标n表示额定值。第29页/共53页第三十页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制 为了书写方便，通常把表示标幺值的上标pu省去，得标幺值表示的电流和磁链（电压）约束方程： 这两个式子确定了电流极限圆和磁链（电压）极限椭圆。由于磁链极限值smax与电机转速r成反比，磁链极限椭圆的两轴长度随电机转速增加而逐渐减小，形成一簇套装(to zhun)椭圆。定子电流矢量必须满足上面两个式子的限制，所以一定要落在电流极限圆和磁链极限

16、椭圆的内部。例如，当r=r1时，定子电流矢量被限制在ABCDEF范围内。第30页/共53页第三十一页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制第31页/共53页第三十二页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制基速和转折速度 定义空载（定子电流为0时）电动势达到电压(diny)极限值时的转子速度为速度基值，简称基速： 定义在恒转矩运行区，定子电流为额定值，定子电压(diny)达到极限值时的转子速度为转折速度：maxmaxssrbfmdfuuL imax22srtmdfd dq quL iL iL i第32页/共53页第三十三页，共53页。6.3 三

17、相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制 对于隐极PMSM： 对于凸极PMSM，转矩角135，因此|id|iq| ；另外交轴电感Lq远大于直轴电感Ld，因此交轴电枢反应(fnyng)是主要的： 所以转折速度是低于速度基值的。 maxmax22ssrtbmdfmdfq quuL iL iL imaxmax22ssrtbmdfmdfd dq quuL iL iL iL i第33页/共53页第三十四页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制 当PMSM转速达到转折速度时，逆变器提供的电压值达到了它可以提供的上限(shngxin)，此时电流控制环就失去了控制电流跟踪指令电流的能力

18、。若想继续增大转速，必须将PMSM的电压降下来。负向的直轴电流具有去磁作用，加大负向的直轴去磁电流，可使电压下降： 当定子电流全部为直轴去磁电流时，此时转矩为0。如果这种情况发生在逆变器电压达到它可提供的上限(shngxin)，电流幅值达到电流极限时，电机转速达到了弱磁扩速的上限(shngxin)： 22srmdfd dq quL iL iL imaxmaxsrmdfdduL iL i第34页/共53页第三十五页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制最大转矩/电流比控制 6.2节我们通过凸极PMSM的多个转矩曲线与以原点为圆心的圆的切点得到了最大转矩/电流比的几何曲线

19、，并且给出了一种凸极PMSM最大转矩/电流比轨迹表达式。这里我们给出另一种隐极PMSM和凸极PMSM统一的最大转矩/电流比轨迹表达式。 取转矩基值Teb=usnisn/rn，可得用标幺值表示(biosh)的电磁转矩表达式：第35页/共53页第三十六页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制 对电磁转矩表达式求极小值即可得满足(mnz)最大转矩/电流比的电流矢量is空间相位： 得最大转矩/电流比电流轨迹的dq轴分量表达式：第36页/共53页第三十七页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制第37页/共53页第三十八页，共53页。6.3 三相(sn xi

20、n)永磁同步电动机的弱磁控制最大功率(gngl)输出 取功率(gngl)基值Peb=usnisn，可得用标幺值表示的电磁功率(gngl)表达式： 在PMSM的恒功率(gngl)运行区，为满足最大功率(gngl)输出的要求，在考虑磁链（电压）极限约束下，对电磁功率(gngl)表达式求极大值，得出满足最大功率(gngl)输出的定子电流矢量的dq轴表达式第38页/共53页第三十九页，共53页。 上式中： 由于(yuy) 所以有的文献也将最大功率输出控制称为最大转矩/磁链比控制，实际上最大功率输出轨迹是磁链极限椭圆与恒转矩曲线的切点组成的曲线。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制第39

21、页/共53页第四十页，共53页。6.3 三相(sn xin)永磁同步电动机的弱磁控制第40页/共53页第四十一页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制弱磁控制策略举例(j l) （1）电机转速rTeA时，则 给 定 电 流 i s = i A ， 即 A 点 对 应 的 电 流 值 ； 当 转 矩 指 令 值Teref=Te2TeA时，则给定电流is=OATe2，即P1点对应的电流值。第41页/共53页第四十二页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制 （2）电机转速ArTeD时，则给定电流is=iD，即D点对应的电流值；当TeETeref=Te2Te

22、D时，则给定电流is=DETe2，即P1点对应的电流值；当Teref=Te3TeE时，则给定电流is=OETe3，即P2点对应的电流值。第42页/共53页第四十三页，共53页。6.3 三相永磁同步(tngb)电动机的弱磁控制 （3）电机转速BrTeF时，则给定电流(dinli)is=iF，即F点对应的电流(dinli)值；当TeETeref=Te2TeF时，则给定电流(dinli)is=FETe2，即P1点对应的电流(dinli)值；当Teref=Te3TeE时，则给定电流(dinli)is=OETe3，即P2点对应的电流(dinli)值。第43页/共53页第四十四页，共53页。6.3 三相永

23、磁同步(tngb)电动机的弱磁控制 （4）电机(dinj)转速BOTeF时，则给定电流is=iF，即F点对应的电流值；当Teref=Te2TeF时，则给定电流is=FGTe2，即P1点对应的电流值。第44页/共53页第四十五页，共53页。第45页/共53页第四十六页，共53页。完成18kW、30kW及50kW电主轴驱动装置的系列化装备研制和整机测试；关键技术难题：大功率电力电子驱动控制高精度C轴定位弱磁控制等典型(dinxng)应用：高速龙门铣/钻卧室加工中心立式加工中心五/六轴柔性加工中心大功率电主轴对宽范围调速和高刚性切削(qixio)的要求。国家十一五国家十一五“高档数控机床与基础制造装

24、备高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（科技重大专项（0404专项）之专项）之“高速高刚度大功率电主轴及驱动高速高刚度大功率电主轴及驱动(q dn)(q dn)装置装置”，2009.07-2014.072009.07-2014.07，132.72132.72万，课题副组长万，课题副组长6.4 PMSM实际案例第46页/共53页第四十七页，共53页。国家十一五国家十一五“高档数控机床与基础制造装备高档数控机床与基础制造装备”科技科技(kj)(kj)重大专项（重大专项（0404专项）之专项）之“高速高刚度大功率电主轴及驱动装置高速高刚度大功率电主轴及驱动装置”，2009.07-2014.072

25、009.07-2014.07，132.72132.72万，课题副组长万，课题副组长SDTS155SDTS230SDTS250额定功率：18kW额定转速：8000rpm最高转速：40000rpm额定电流：70A额定转矩：21Nm额定功率：30kW额定转速：5000rpm最高转速：30000rpm额定电流：85A额定转矩：58Nm额定功率：50kW额定转速：3300rpm最高转速：20000rpm额定电流：170A额定转矩：148Nm6.4 PMSM实际(shj)案例第47页/共53页第四十八页，共53页。福建省福建省“先进装备与制造技术先进装备与制造技术”科技重大专项之科技重大专项之“高性能伺服

26、电机及高精度控制系统高性能伺服电机及高精度控制系统(kn zh x tn)(kn zh x tn)的研发与产业化的研发与产业化”，2012.092012.09至今，至今，7575万，课题组长万，课题组长完成(wn chng)0.75kW、3.3kW机床进给轴用精密伺服驱动的研制和测试，内置CANOpen总线功能；关键技术难题：低速转矩脉动抑制高精度位置控制高分辨率传感器接口当前任务：5.5kW和15kW样机的设计现场总线EtherCAT和SERCOS功能的开发6.4 PMSM实际(shj)案例第48页/共53页第四十九页，共53页。浙江金龙电机浙江金龙电机(dinj)“(dinj)“交流伺服驱动装置交流伺服驱