三相永磁同步电机的控制综述

1、三相永磁同步电机的控制王伟华三相永磁同步电机的控制 基础知识基础知识 矢量控制 弱磁 SVPWM磁动势磁路欧姆定律励磁磁链与励磁电感漏磁链、漏电感、总磁链自感电压方程磁能与磁共能磁能与磁共能互感全磁链磁能磁能机电能量转换机电能量转换机电能量转换机电能量转换机电能量转换机电能量转换机电能量转换机电能量转换三相同步电机电磁转矩三相同步电机电磁转矩(1-75)(1-76)空间矢量定子磁动势矢量定子磁动势矢量定子磁动势矢量定子磁动势矢量定子电流矢量定子电流矢量定子电流矢量定子电压矢量定子磁链矢量三相永磁同步电机的控制 基础知识 矢量控制矢量控制 弱磁 SVPWM转子结构及物理模型转子结构及物理模型面装

2、式三相永磁同步电机矢量方程面装式三相永磁同步电机矢量方程面装式三相永磁同步电机矢量方程面装式三相永磁同步电机矢量方程面装式三相永磁同步电机矢量方程面装式三相永磁同步电机矢量方程面装式三相永磁同步电机电磁转矩矢量方程坐标变换和矢量变换1静止静止ABC 轴系到静止轴系到静止DQ 轴轴系的坐标变换坐标变换和矢量变换1静止ABC 轴系到静止DQ 轴系的坐标变换坐标变换和矢量变换1静止ABC 轴系到静止DQ 轴系的坐标变换坐标变换和矢量变换 2静止DQ 轴系到任意同步旋转MT 轴系的变换坐标变换和矢量变换 2静止DQ 轴系到任意同步旋转MT 轴系的变换坐标变换和矢量变换 2静止DQ 轴系到任意同步旋转M

3、T 轴系的变换面装式三相永磁同步电机基于转子磁场的转矩控制面装式三相永磁同步电机矢量控制系统面装式三相永磁同步电机矢量控制系统面装式三相永磁同步电机矢量控制系统凸极式三相永磁同步电机定子磁链和电压方程凸极式三相永磁同步电机定子磁链和电压方程凸极式三相永磁同步电机定子磁链和电压方程将（将（3-29）、（）、（3-30）代入为）代入为凸极式三相永磁同步电机定子磁链和电压方程凸极式三相永磁同步电机电磁转矩方程三相永磁同步电机的控制 基础知识 矢量控制 弱磁弱磁 SVPWM电压极限椭圆和电流极限椭圆电压极限椭圆和电流极限椭圆电压极限椭圆和电流极限椭圆定子电流最优控制定子电流最优控制最大转矩/电流比控制

4、 距离原点O越远的等转矩曲线对应的转矩值越大； 在每条等转矩曲线上总存在距离原点最近的点，将这些点连成线记为曲线AO。 由于工作点到原点的距离表示电机在该点工作时定子电流的幅值，因此输出相同转矩条件下，电机工作在曲线AO上需要的定子电流幅值最小。 电机在恒转矩区工作时，若控制电机工作在曲线AO上，则称为最大转矩电流比控制。-22-18-14-10 -6 -226 10 14 18 22-20-16-12-8-4048121620id(A)iq(A)OA Te=12 Te=6 电流极限圆电流极限圆 定子电流最优控制最大功率输出控制 为扩展PMSM 的速度范围可以采取弱磁控制，在弱磁运行区，电动机

5、通常做恒功率输出，也可以要求其输出功率最大。 对功率表达式（略）求极大值，并考虑电压约束，可推导出在电压极限下，满足这一最优控制的定子电流矢量。定子电流最优控制最大功率输出控制图3-28 弱磁控制与定子电流最优控制弱磁控制与定子电流最优控制a) 面装式面装式b) 内装式内装式定子电流最优控制最大功率输出控制弱磁控制弱磁控制弱磁控制弱磁控制三相永磁同步电机的控制 基础知识 矢量控制 弱磁 SVPWMSVPWMPWM控制理论基础控制理论基础 面积等效原理是PWM控制技术的理论基础。tf(t)(c)0tf(t)(d)0tf(t)(b)0(a)0(t)f(t)t图1 冲量相同而形状不同的窄脉冲信号00

6、.0120.0240.0360.0480.060306090120时 间输出 abcd图2 不同脉冲信号的响应曲线PWM控制理论基础控制理论基础 根据面积等效原理，可以用一系列的脉冲来代替三相永磁同步电机所需要的正弦电压。可以证明，图3中两种波形作用在惯性环节上的效果基本相同，可以进行等效代替。00.20.40.60.81050100时 间电压00.20.40.60.810时 间电压Vdc图3 正弦波形电压等效基本电压矢量基本电压矢量图4 逆变器的简化电路图5 某相逆变桥上下桥臂开关状态信号基本电压矢量基本电压矢量（三相对称绕组的中性点为N，流过中性点的电流为0）图6 开关状态为(1，0，0)

7、时的等效电路图基本电压矢量基本电压矢量 根据公式（1)可得到该状态下相绕组的电压分别为： 对三相绕组上的电压进行矢量合成：图7 绕组电压关系基本电压矢量基本电压矢量图8 基本电压矢量SVPWM基本原理 空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) 当三相永磁同步电机以三相对称正弦电压供电时，会在气隙中产生以相同角速度旋转的磁链，旋转轨迹为圆形，称为基准磁链圆。 SVPWM将电机和逆变器看成一个整体，通过控制逆变器开关的通断产生不同的基本电压矢量，进而合成指令电压矢量，电压矢量产生磁链，用实际产生的磁链去逼近理想的基准磁链圆。SVPWM基本原理 电压磁链之间的关系为： 如果忽略定子绕组的电阻，磁链和电压之间的关系可以近似表示为： 当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的轨