无刷直流电机与永磁同步电机的运行控制比较

1 主 要 内 容 一、几个术语解释 （极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势） 二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法 （运行原理、数学模型、换流模式、控制方法） 三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法 （矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器） 四、两种电机及其控制系统的对比 （转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围） 2 几个术语解释 极对数（ ）：电机转子中 N-S极的对数， 2， 3， 4， 相数（ ）：电机绕组个数， 3， 6， 12， 电角度（ ） /机械角度（ ）： 电角频率（ ） /机械角频率（ ）： 电角频率与电机转速（ ）： 极（ 2p）槽（ Z）配合： Z/2p 相电压：电机相绕组对电机中性点电压 线电压：电机两相绕组之间电压 反电动势：电机到拖时某一转速下对应电机线电压峰值 e ep2mn pe pe pn e60 dtee d U 1 T 5 T 3 T 4 T 6 T 2 T 1 D 3 D 5 D 4 D 6 D 2 Doa i bi ciae be cedCABC 3 主 要 内 容 一、几个术语解释 （极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势） 二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法 （运行原理、数学模型、换流模式、控制方法） 三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法 （矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器） 四、两种电机及其控制系统的对比 （转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围） 4 无刷直流电机的组成 无刷直流电机组成部分： 电机本体、位置传感器、 电子开关线路； 电机本体在结构上与交流 永磁电机相似； 电子开关线路由功率逻辑 开关单元和位置传感器信 号处理单元两部分组成； 电子开关线路导通次序是 与转子转角同步的，起机 械换向器的换向作用。 + - A B C A B C 1V 2V 3V 位 置 传 感 器 无 刷 直 流 电 机 电 子 开 关 线 路 5 120度导通时转子位置与电流换相关系 a) 0度（换相前） b) 0度（换相后） c) 60度（换相前） d) 60度（换相后） e) 120度（换相前） f) 120度（换相后） A AB BC CCB A ABCCBA AB C AC B B CA AC B BCA AC BA CB a ) b ) c ) d ) e ) f ) r r r r r r s s o60 o60 o120 o120 6 无刷直流电机的数学模型 采用理想化的直流无刷电机用状 态方程表示的数学模型，电流为理想 的方波，反电势为理想的梯形波，并 作如下假设： （ 1）不计磁路饱和； （ 2）电机涡流损耗和磁滞损耗； （ 3）忽略定子电流的电枢反应； （ 4）定子绕组采用 Y形接法。 AeBe CeML ML ML RRRAuBuCu 无刷直流电机的等效电路 7 无刷直流电机的电路模型 d U 1 T 5 T 3 T 4 T 6 T 2 T 1 D 3 D 5 D 4 D 6 D 2 Doa i bi ciae be ce dCABC 逆变器 永磁无刷电机系统示意图 dUdC 61 TT 61 DD 61 TT 为直流电源（ V）； 为中间直流回路支撑 （滤波）电容（ F）； 为 6个功率开关管； 为 6个续流二极管； 采用 120的两两导通方式 ，对 分别在各自 120导通时间内根据不同 的调制方式进行 PWM调制。 8 无刷直流电机的数学模型 ON ON ON C B A C B A C B A CN BN AN u u u e e e i i i ML ML ML p i i i R R R u u u 00 00 00 00 00 00 3 CBACNBNAN ON eeeeeeu CCBBAA r n em ieieie pT rrrnLem fdt d JpTT 1 d U 1 T 5 T 3 T 4 T 6 T 2 T 1 D 3 D 5 D 4 D 6 D 2 Doa i bi ciae be cedCABC电压方程： 转矩方程： 运动方程： 9 aPW M bPW M cPW M aHa ll bHa ll cHa ll t tt 61TT 23T 43TT 45T 65T21T 61T ai bi ci ttt 61TT 23T 43TT 45T 65T21T 61T ae be ce ttt 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 120 无刷直流电机的电流和感应电动势具有以下特点： （ 1）感应电动势为 三相对称的梯形波，其 波顶宽为 （ 2）电流为三相对 称的方波； （ 3）梯形波反电势 与方波电流在相位上严 格同步。 HALL状态与 PWM、三相反电势和三相电流的对应关系 无刷直流电机换流关系 10 无刷直流电机的相电流分析 t0 ft Ai Bi Ci sI sI i t0 ft Ai Bi Ci ft sI sI i t0 Ai Bi ft ft Ci sI sI i 11 无刷直流电机的换流模式 （ 1） pwm-on型调制方式 ttt1T 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt ttt1T 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt （ 2） on-pwm型调制方式 ttt1T 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt ttt1T 2T 3T45T660 300120180240 3604200 ttt （ 3） H_on-L_pwm型调制方式 ttt1 T 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt tt1 2T 345T6 60 300120180240 3604200 t（ 4） H_pwm-L_on型调制方式 ttt1T 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt ttt1T 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt （ 5） L_pwm-H_pwm型调制方式 tttT 2T 3T45T6 60 300120180240 3604200 ttt tt1 2T 345T6 60 300120180240 3604200 ttt 1 2T 345T660 300120180240 3604200 t ttt1T 2T 3T45T660 300120180240 3604200 ttt （ 6） on-on型调制方式 12 无刷直流电机的换流模式对比 （ 1） pwm-on换相转矩脉动最小，非换向相电流脉动最小； （ 2） on-pwm换相转矩脉动和非换相相电流均比 pwm-on大； （ 3） H_pwm-L_on下桥换相转矩脉动和电流脉动与 on-pwm相等，上桥换相转矩脉动 和电流脉动与 pwm-on相等，且均较小； H_on-L_pwm与 H_pwm-L_on正好相反； （ 4） H_pwm-L_pwm换相转矩脉动最大，非换向相电流脉动也最大。 （ 5）功率管开通，转矩脉动相同；功率管关断，单侧调制转矩脉动大于双侧调制 转矩脉动； （ 6）单侧调制存在相见续流现象，换相时间长；双侧调制引入直流母线电压到续 流回路，产生反电压，换相时间短； （ 7）单侧调制较双侧调制损耗小。 13 无刷直流电机的基本 控制系统 电动机 无刷直流refI p has eI调节器 PI D ),( ba IIA BS MA X 滤波 数字低通 aI bI同 步 / P W M控 制 三 相逆 变 器 位置 电动机 无刷直流refI p has eI调节器 PI D ),( ba IIA BS MA X 滤波 数字低通 aI bI同 步 / P W M控 制 三 相逆 变 器2 1 kr efM r 位置 rerA re r A re r mm rerAAmm em ikiK ikiK T 1 1 电流闭环控制结构 转矩闭环控制结构 14 无刷直流电机的基本 控制系统 转矩闭环控制结构 依据转速控制弱磁角度 时为不弱磁）（提前角 0 电动机 无刷直流refI p has eI )( f发生器 提前角 调节器 PI D ),( ba IIA BS MA X 滤波 数字低通 aI bI 同 步 / P W M 控 制 三 相 逆 变 器 21 kr efM r 位置 时为不弱磁）（提前角 0refI 位置 ),( If 发生器 提前角 21 kr efM r 电动机 无刷直流 p has eI调节器 PI D ),( ba IIA BS MA X 滤波 数字低通 aI bI 同 步 / P W M 控 制 三 相 逆 变 器 转矩闭环控制结构 依据转速和转矩控制弱磁角度 15 主 要 内 容 一、几个术语解释 （极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势） 二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法 （运行原理、数学模型、换流模式、控制方法） 三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法 （矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器） 四、两种电机及其控制系统的对比 （转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围） 16 As Bs Cs SI SAiSB i SC i 240s in 120s in s in 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 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 相定子变量合成得到。 1 2 0s in1 2 0c o s j 矢量控制基础 矢量的基本含义 为旋转因子， 17 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 A B CT 三相 /2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： 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 As Bs Cs Si Si SI SSS jiiI 矢量控制基础 坐标变换 18 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： 000 100 0sincos 0cossin u u u T i i i i i i dqq d 100 0s inc o s 0c o ss in dqT dq SISqi Sdi SqSdS jiiI 矢量控制基础 坐标变换 19 矢量控制基础 图解各变量之间关系 ABCT SAi dqT SBi SCi Sdi SqiSi Si Si Si Sdi Sqi SAi 20 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 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 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 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。 矢量控制基础 矢量控制的基本思想 21 永磁电机数学模型与基本控制方法 As Bs Cs dq N S A XB YCZKuKi K R P 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 数学模型，并作如下假设： （ 1）定子绕组 Y形接法，三相 绕组对称分布，各绕组轴线在空 间互差 120； （ 2）忽略定子铁心和转子铁心 的涡流损耗和磁滞损耗； （ 3）采用饱和参数近似计算磁 路饱和效应的影响； （ 4）定子绕组参数不随温度和 频率变化。 22 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 qdqdqmpm iiLLinT 232 电压方程： 转矩方程： 永磁电机数学模型与基本控制方法 直轴电感： 交轴电感： 210 210 2 3 2 3 2 3 2 3 LLLL LLLL q d 0 100 200 300 400 500 600 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 x 1 0 -4 Id Iq ( A ) L d L q (H ) 定子 DQ 轴电感随定子 DQ 轴电流饱和曲线 23 di qi 电 流 极 限 圆 di qi 电 压 极 限 椭 圆 123 di qi 恒 转 矩 轨 迹 di qi 电 流 极 限 圆 di qi 电 压 极 限 椭 圆 123 di qi 恒 转 矩 轨 迹 Ld=Lq： LdLq： 电流极限圆 电压极限椭圆 恒转矩曲线 di qi 电 流 极 限 圆 di qi 电 压 极 限 椭 圆 123 di qi 恒 转 矩 轨 迹 di qi 电 流 极 限 圆 di qi 电 压 极 限 椭 圆 123 di qi 恒 转 矩 轨 迹 永磁同步电机的基本特性 24 Id=0控制 最大转矩 /电流比控制 恒功率弱磁控制 最大功率控制 di qi1A 2A 电 流 极 限 圆32 电 压 极 限 椭 圆 最 大 转 矩 / 电 流 比 轨 迹 最 大 功 率 输 出 轨 迹 3 A1 OI d = 0 控 制 永磁同步电机的基本控制方法 25 1、 Id=0控制： smem ipT 22limma x mqemm LTpu dq A fsU fI qs iI 0E 1RI s s IjX 1 di qi 电 流 极 限 圆 电 压 极 限 椭 圆 I d = 0 控 制 123永磁同步电机的基本控制方法 26 2、最大转矩 /电流比控制： 恒 转 矩 轨 迹 最 大 转 矩 / 电 流 比 轨 迹 di qi 0 q sem d sem i iT i iT 22 lim 222 2 4 dq qd qqdmm d iii LL iLL i qd qmqd mq b LL CLCLL iLp u 16 8222 lim lim )8( 2lim22 iLLC qdmm 永磁同步电机的基本控制方法 27 di qi 电 流 极 限 圆 123 电 压 极 限 椭 圆 O 3、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 222lim mddqq iLiLu 22 m a x )()( 1 qqddm s n b ILIL U p 永磁同步电机的基本控制方法 28 4、最大功率控制： 01 di P d d m d q dd q i L i L iLu i 22 lim d mm d L ui 14 18 2lim22 diq i 1A 电 流 极 限 圆32 电 压 极 限 椭 圆 最 大 功 率 输 出 轨 迹 2A1 O 永磁同步电机的基本控制方法 29 S V P W M 三 相 逆 变 器 dq dqabc M PIPI 位 置 传 感 器 PI 速 度 计 算 n re fn sq re fi sd re fi C l a r k e 变 换 P a r k 变 换 P a r k 逆 变 换 aV bV cV ai bi si si sdi sqi s re fV s re fV DCU 经典永磁电机矢量控制系统（ SPM电机） 永磁同步电机矢量控制系统 30 经典永磁电机矢量控制系统（ IPM电机） S V P W M 三 相 逆 变 器 d q d q a b c M P I P I 位 置 传 感 器 P I 速 度 计 算 n r e f n C l a r k e 变 换 P a r k 变 换 P a r k 逆 变 换 a V b V c V a i b i s i s i s d i s q i s r e f V s r e f V D C U s d r e f i s q r e f i * eT )( e * q Tfi )( e*d Tfi 永磁同步电机矢量控制系统 31 S V P W M V S I a b c M P I P I 位 置 传 感 器 A S R 速 度 计 算 n C l a r k e 变 换 P a r k 变 换 P a r k a V b V c V a i b i D C U * eT F G V R *n ( U d 、 L d 、 L q ) * di* qi di qi d *u V R - 1 q *u i i u u P I 电压补偿式永磁电机矢量控制系统（ IPM电机） 永磁同步电机矢量控制系统 32 旋转变压器 33 主 要 内 容 一、几个术语解释 （极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势） 二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法 （运行原理、数学模型、换流模式、控制方法） 三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法 （矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器） 四、两种电机及其控制系统的对比 （转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围） 34 两种电机及其控制系统的对比 Hsin H cos sin cosHsin H cos sin cos 永磁无刷电机 位置信号 永磁同步电机 位置信号 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 霍 尔 A 相 霍 尔 B 相 霍 尔 C 相 1 sin 1cos 1旋 变 旋 变 位 置 角 0 3 6 0 35 ai bi ci ttt 0 60 360 420300240180120 上 桥 臂 换 相 上 桥 臂 换 相 上 桥 臂 换 相 ae be ce ttt 永磁无刷电机 三相反电动势与三相电流 永磁同步电机 三相反电动势与三相电流 两种电机及其控制系统的对比 36 两种电机及其控制系统的对比 永磁无刷电机 三相电流 永磁同步电机 三相电流 Id=0控制 最大转矩电流比控制 弱 磁 增 磁 临 界 弱 磁 直 轴 电 流 Adi交轴电流 A qi 交 轴 电 流 A qi 直 轴 电 流 Adi临 界 弱 磁交轴电流 A qi 直 轴 电 流 Adi弱 磁 弱 磁 增 磁 临 界 弱 磁 直 轴 电 流 Adi交轴电流 A qi 37 两种电机及其控制系统的对比 弱 磁 增 磁 直 轴 电 流 Adi交轴电流 A qi 临 界 弱 磁 三 相 定 子 电 流 A/ CiBAi 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n BiAi Ci 直 轴 电 流 A di 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n交 轴 电 流 A qi 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n 磁 阻 转 矩 电 机 转 速 Nm mT (r/ m i n)/1n永 磁 转 矩 电 机 转 速 Nm mT (r/ m i n)/1n电机输 出 转 矩 Nm mT 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n电 机 转 速 运 行 时 间 s/t (r/ m in) / 1n (a) 定子电流相平面图 (b) 三相定子电流 (c) 直轴电流分量 (d) 交轴电流分量 (e) 磁阻转矩分量 (f) 永磁转矩分量 (g) 电机输出转矩 (h) 实际转速与计算转速 38 两种电机及其控制系统的对比 电 机 输 出 转 矩 Nm mT 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n 电 机 输 出 功 率 kW mP 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n 电 机 效 率 % m 电 机 转 速 (r/ m i n)/1n (a) 转矩 转速特性曲线 (b) 功率 转速特性曲线 (c) 电机效率 转速特性曲线 电机输出特性需求 39 两种电机及其控制系统的对比 1、低速出力（转矩 /电流比，功率模块利用率） 以车用驱动电机为例：无刷直流电机转矩 /电流有效值比为 0.456，转矩 /电流峰值比为 0.297；永磁同步电机相对应的分别为 0.563和 0.375，同比增加 20%以上； 无刷直流电机低速电流 /转矩脉动大，换相噪声大，低速电机抖动明显；永磁同步电 机可实现零转速控制，转矩可达到最大转矩值； 驱动电机采用矢量控制技术，功率模块电流裕量提高。 2、高速恒功率（恒功率调速范围，弱磁率） 以某额定转速 6000rpm的车用驱动电机为例，无刷直流电机采用提前换相控制的最高 转速为 8000rpm，弱磁率为 1:1.3；永磁同步电机可控制的恒功率最高转速为 12000rpm ，弱磁率为 1:2；以混合动力客车 ISG电机为例，无刷直流电机的弱磁率为 1:1.2，永磁 同步电机的弱磁控制率为 1:1.5； 无刷直流电机恒功率运行时，电流脉动和转矩脉动大，电机运行噪声大；而永磁同步 电机可实现电流和转矩平稳，噪声较小。 40 两种电机及其控制系统的对比 永磁电机类型 无刷直流电机 永磁同步电机 控制方法 简单，位置换相 复杂，需要矢量变换 转矩脉动 换相脉动大 小 恒功率调速范围 1:1.21.3 1:1.52.0 制动效率 较低 较高，可四象限运行 运行噪声 较高 较低 气隙 大，参数稳定 小，参数易饱和 传感器 霍尔，无位置 旋变 可靠性 霍尔低，无位置高 高 生产成本 较低 较高 维护成本 较高 较低 41 谢谢各位！