永磁同步电机工作原理及控制策略

1、摘要：PMSM和BLDC电机的特点适用范围PMSM和BLDC电机结构工作原理PMSM和BLDC电机控制策略FOC PMSM电机控制策略永磁同步电机和无刷直流电机的特点和优势，(1)高功率密度；(2)高功率因数(气隙磁场主要或全部由转子磁场提供)；(3)效率高(不需要励磁，绕组损耗小)；(4)结构紧凑、体积小、重量轻、维护简单；(5)嵌入式交流/DC轴的电抗不同，导致结构力矩大，弱磁性能好，表贴式弱磁性能差。缺点：(1)价格更高；(2)弱磁场能力；(3)高速制动时启动困难，电位高，给逆变器带来一定风险；(4)单独控制的同步电机失步并可能振荡。PMSM和BLDC电机的特点、PMSM和BLDC电机的

2、应用范围、软磁盘和硬盘驱动器、录像机鼓(录像机磁头)和磁带伺服系统、体积小、容量小和控制精度高、数控系统如机床和机器人、快速性好、定位(速度和位置)精度高、起动转矩大和过载能力强、交通运输、电动自行车和电动汽车。家用电器、冰箱、空调等。(单位体积功率密度高，体积小)、PMSM和BLDC电机的应用范围、仿真结构图、PMSM和BLDC电机的结构、PMSM和BLDC电机的结构、定子、定子绕组一般做成多相(三相、四相、五相等)。)，通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁芯对称分布，当引入三相交流电时，产生旋转磁场。在PMSM和BLDC发动机的结构中，转子使用永磁体。目前，钕铁硼主要用作永磁材料。永磁体的使用

3、简化了电机的结构，提高了可靠性，避免了转子的铜损耗，提高了电机的效率。PMSM和PMSM的无刷直流电机结构根据转子永磁结构可分为两种类型，(1)表贴式(SM-PMSM)，DC-交流电感LD和Lq相同，气隙较大，弱磁能力小，速度扩展能力有限，PMSM和BLdC电机结构，(2)嵌入式(IPMSM)，DC-交流电感：LqLd气隙较小。PMSM和BLDC电机、无刷DC电机的结构是，永磁体电弧为180度，永磁体产生的气隙磁场为梯形波分布，线圈中的感应电动势也为交流梯形波定子绕组中的Y或与三相全距绕组相连，所以电枢反应很小。PMSM和BLDC电机、正弦波永磁同步电机和永磁体表面的结构设计为抛物线。120极

4、弧定子绕组为短距离绕组，分布式绕组定子由正弦波脉宽调制电压逆变器供电，三相电流为正弦或准正弦。PMSM和BLDC电机的结构，PMSM的数学模型，定子三相静止坐标系，定子两相静止坐标系和转子两相坐标系，为了简化和求解数学模型方程，采用坐标变换理论，提出了同步电机定子三相静止坐标系的基本方程。PMSM和BLDC电机的工作原理：定子电压：定子电流：定子磁链矢量：转子磁链矢量：转子角位置：电机转矩角，假设：1)忽略电机铁芯的饱和；2)未考虑电机中的涡流和磁滞损耗；3)转子无阻尼绕组。永磁同步电机在三相定子坐标系中的数学模型可以表示为：定子电压：定子磁链：电磁转矩：PMSM和BLDC电机的工作原理，永磁

5、同步电机在坐标系中的数学模型可以表示为：定子电流：定子磁链：电磁转矩：PMSM和BLDC电机的工作原理，永磁同步电机在转子旋转坐标系d-q中的数学模型可以表示为： 定子电压：定子磁链：电磁转矩：PMSM和BLDC电机的工作原理，两个电源开关每隔一段时间接通，每隔60度换向，一个电源开关切换导通顺序为：(1)成对上电模式，PMSM和BLDC电机的工作原理，BLDC电机控制模式，全控桥成对上电电路原理图，安装三个相差120度的霍尔集成电路，产生的波形如图所示。PMSM和BLDC电动机的工作原理，当导通时，合成转矩是合成转矩c)每两个绕组通电时的合成转矩，以及每两个绕组通电时的合成转矩矢量图。每一瞬

6、间有三个电源开关打开，相位每60度改变一次，每个电源开关打开180度。通电顺序为：(2)三三通电模式，PMSM和BLDC电机的工作原理，Y连接三三通电模式的控制原理图，Y连接三三通电模式的相电压和线电压波形，PMSM和BLDC电机的工作原理，三三通电时复合转矩矢量图，三三通电时复合转矩，BLDC电机稳定运行的机械特性方程，(3)BLDC电机运行：电源电压(v)；电源开关电压降(v)；电动势系数；电机产生的平均电扭矩(牛顿米)；扭矩系数；电机内部电阻()。PMSM和BLDC电机的工作原理，BLDC电机的动态特性方程，电机负载电阻转矩；电机转子飞轮转矩()，(转动惯量)，PMSM和BLDC电机的工

7、作原理，BLDC电机传递函数，电动势传递系数，转矩传递系数，电磁时间常数，BLDC电机动态结构图，PMSM和BLDC电机的工作原理，(1)开环控制：u/f常数，(2)闭环控制：矢量控制(70)，直接转矩控制(80)，永磁同步电机控制方式，PMSM和BLDC电机的工作原理，定子电流经坐标变换后转化为两相旋转坐标系中的电流和，从而在FOC测量的量有：定子电流、转子位置角、PMSM电机的FOC控制策略；1.工作原理：转子磁场定向系统动态性能好，控制精度高，控制简单；具有DC电机的调速性能，运行平稳，转矩脉动小；2.FOC特性：PMSM电机的FOC控制策略在控制定子电流时只有交叉轴分量，定子磁动势空间

8、矢量与永磁磁场空间矢量正交。其性能与DC电机相似，控制系统简单，转矩性能好，可获得较宽的调速范围，适用于高性能数控机床、机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器的容量不能充分利用。3、FOC控制模式，PMSM电机的FOC控制策略，控制交流和DC电流分量，并将PMSM的功率因数保持在1。在这种情况下，电机的电磁转矩随着电流的增加先增大后减小。逆变器的容量可以得到充分利用。缺点是可以输出的最大扭矩很小。最大转矩/电流比的控制也称为单位电流最大转矩输出的控制(最佳转矩控制)。这是一种广泛应用于凸极PMSM的电流控制策略。当输出转矩恒定时，逆变器的输出电流最小，可以降低电机的铜耗。PMSM电机F

9、OC控制策略，4，坐标变换，(1)克拉克(3s/2s)变换，三相绕组每相匝数：两相绕组每相匝数，每相的磁动势是有效匝数和电流的乘积，其相关空间矢量均位于相关相的坐标轴上。PMSM电机的FOC控制策略，假设磁动势波形为正弦曲线，当三相总磁动势和两相总磁动势相等时，两组绕组在轴上的瞬时磁动势投影应该相等。因此，考虑到变换前后总功率不变，可用匝数比应为，坐标系变换矩阵：可用PMSM电机的FOC控制策略，如果三相绕组为Y形且无零线，则PMSM电机的FOC控制策略为，两个交流电流和两个DC电流轴之间的夹角随时间变化，(2)PMSM电机的Park(2s/2r)变换、FOC控制策略，从图中可以看出，和、坐标

10、系变换矩阵之间有如下关系：以矩阵的形式写成，PMSM电机的FOC控制策略由三组六个开关组成()。因为“与”、“与”和“彼此相反，即一个接通而另一个断开，所以在三组开关之间存在可能的开关组合，包括脉宽调制逆变器模型，(3)PMSM电机的电压空间矢量、FOC控制策略。如果规定三相负载的一相导通，则该相的开关状态为“1”；相反，当它连接到“-”极时，它处于“0”状态。逆变器有八种可能的开关组合和七种不同的电压状态：电压状态“1”至“6”，零电压关断状态“0”和“7”，PMSM电机的FOC控制策略。逆变器输出电压用空间电压矢量表示，表示为、逆变器输出非零电压矢量时相电压波形、幅值和电压状态对应关系图电

11、压状态和开关状态以六种状态为一个周期，相电压幅值有两种：PMSM电机、FOC控制策略将逆变器的七种输出电压状态放入空间平面，形成七个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间上相隔60角，六个工作电压空间矢量的顶点形成正六边形。PMSM电机的FOC控制策略，当定子坐标系中的轴与矢量复平面的实轴重合时，其三相物理量的矢量为：PMSM电机的FOC控制策略，如果三相负载的定子绕组连接成星形，其输出电压的空间矢量的矢量变换表达式为、状态为“1”；因此，PMSM电机的FOC控制策略和电压空间矢量的结论为：、它们周期性地依次出现，相邻两个矢量之差为60度；电压空间矢量的幅度是恒定的，等于，所以六个电

12、压空间矢量的顶点构成正六边形的六个顶点；六个电压空间矢量的顺序如下，它们依次逆时针旋转。零电压状态7位于六角体的中心。PMSM汽车的FOC控制策略，5。FOC基本方程，SM-PMSM电压和磁链方程，定子相绕组：定子相绕组电感：定子相绕组互感；转子电角度：转子永磁磁链，其中PMSM电机的FOC控制策略表明，交轴电流和转矩是线性的，而直轴电流对转矩没有影响。如果是电机的额定电流，此时将产生最大扭矩()。磁链转矩方程，PMSM电机的FOC控制策略，6。FOC组成，(1)空间矢量脉宽调制模块。采用先进的调制算法降低电流谐波，提高DC母线电压利用率；(2)电流读取模块。通过精密电阻或电流传感器测量定子电

13、流；speed电机的FOC控制策略，(3)转子速度/位置反馈模块。霍尔传感器或增量式光电编码器用于精确获取转子位置和角速度信息，无传感器检测算法也可用于测量；(4)PID控制模块；(5)克拉克，公园和反向公园转换模块。PMSM电机的FOC控制策略、7、FOC原理图、PMSM电机的FOC控制策略，(1)通过克拉克变换将电流读取模块测得的相电流总和从三相静止坐标系改变为两相静止坐标系总和；(2)结合转子位置，将和从两相静止坐标系转换为两相旋转坐标系，并通过Park变换；(3)转子速度/位置反馈模块将测得的转子角速度与参考转速进行比较，并通过比例积分调节器产生横轴参考电流；PMSM电机的FOC控制策略，(4)将交流和DC参考电流与实际反馈交流和DC参考电流进行比较，DC参考电流为0。然后通过比例积分调节器，转换成电压和；(5)将电压和与检测到的转子角位置相结合进行逆Park变换，将其变换为两相静止坐标系的电压和；(6)电压和由空间矢量脉宽调制模块调制成六个开关信号，控制三相逆变器的开关