无刷直流电机与永磁同步电机的运行控制比较课件

1主主 要要 内内 容容一、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）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2几个术语解释几个术语解释?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?e?p2mn?pe?pe?pne?60?dtee?dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DoaibiciaebecedCABC2几个术语解释?极对数（）：电机转子中N-S极的对数，2，33主主 要要 内内 容容一、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）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4无刷直流电机的组成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。+-ABCABC1V2V3V位置传感器无刷直流电机电子开关线路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5120120度导通时转子位置与电流换相关系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）AABBCCCBAABCCBAABCACBBCAACBBCAACBACBa)b)c)d)e)f)r?r?r?r?r?r?s?s?o60o60o120o1205120度导通时转子位置与电流换相关系a)0度（换相前）b6无刷直流电机的数学模型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。AeBeCeML?ML?ML?RRRAuBuCu无刷直流电机的等效电路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7无刷直流电机的电路模型无刷直流电机的电路模型?dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DoaibiciaebecedCABC逆变器永磁无刷电机系统示意图dUdC61TT61 DD61 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120o的两两导通方式，对分别在各自120o导通时间内根据不同的调制方式进行PWM调制。7无刷直流电机的电路模型?dU8无刷直流电机的数学模型无刷直流电机的数学模型?ONONONCBACBACBACNBNANuuueeeiiiMLMLMLpiiiRRRuuu000000000000?3CBACNBNANONeeeeeeu?CCBBAArnemieieiepT?rrrnLemfdtdJpTT?1?dU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DoaibiciaebecedCABC电压方程：转矩方程：运动方程：8无刷直流电机的数学模型?9aPWMbPWMcPWMaHallbHallcHallt?t?t?61TT23TT43TT45TT65TT21TT61TTaibicit?t?t?61TT23TT43TT45TT65TT21TT61TTaebecet?t?t?101100110010011001101?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9aPWMbPWMcPWMaHallbHallcHallt?10无刷直流电机的相电流分析无刷直流电机的相电流分析t0ftAiBiCisIsI?it0ftAiBiCiftsIsI?it0AiBiftftCisIsI?i10无刷直流电机的相电流分析t0ftAiBiCisIsI?i11无刷直流电机的换流模式无刷直流电机的换流模式（1）pwm-on 型调制方式t?t?t?1T2T3T4T5T6T?60?300?120?180?240?360?420?0t?t?t?1TT3TTTT603012182436420?（2）on-pwm 型调制方式TT0t?t?t?1T2T3T4T5T6T?60?300?120?180?240?360?420?0t?t?t?（3）H_on-L_pwm 型调制方式t?t?t?1T2T3T4T5T6T?60?300?120?180?240?360?420?0t?t?t?（4）H_pwm-L_on 型调制方式t?t?t?1T2T3T4T5T6T?60?300?120?180?240?360?420?0t?t?t?1TT3TTTT600（5）L_pwm-H_pwm 型调制方式TT0t?t?t?1T2T3T4T5T6T?60?300?120?180?240?360?420?0t?t?t?t?t?t?1T2T3T4T5T6T?60?300?120?180?240?360?420?0t?t?t?1TT3TTTT603012182436420?（6）on-on 型调制方式11无刷直流电机的换流模式（1）pwm-on型调制方式t?t12无刷直流电机的换流模式对比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。12无刷直流电机的换流模式对比（1）pwm-on换相转矩脉动13无刷直流电机的基本控制系统无刷直流电机的基本控制系统电动机无刷直流refIphaseI?调节器PID),(baIIABSMAX滤波数字低通aIbI同步/PWM控 制三相逆变器位置电动机无刷直流refIphaseI?调节器PID),(baIIABSMAX滤波数字低通aIbI同步/PWM控 制三相逆变器21 krefMr?位置?rerArerArermmrerAAmmemikiKikiKT?11电流闭环控制结构转矩闭环控制结构13无刷直流电机的基本控制系统电动机无刷直流refIphas14无刷直流电机的基本控制系统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refIphaseI?)(?f发生器提前角调节器PID),(baIIABSMAX滤波数字低通aIbI同步/PWM控 制三相逆变器21 krefMr?位置时为不弱磁）（提前角0?refI?位置),(If?发生器提前角21 krefMr?电动机无刷直流phaseI?调节器PID),(baIIABSMAX滤波数字低通aIbI同步/PWM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15主主 要要 内内 容容一、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）15主要内容一、几个术语解释（极对数、电角度、电角频率、相电16AsBsCs?SISAiSBiSCi?240sin120sinsin111tIitIitIimSCmSBmSA)(322?SCSBSASiiiI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。?120sin120cosj?矢量控制基础矢量的基本含义?为旋转因子，16AsBsCs?SISAiSBiSCi?17?2121212323021211?ABCT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：?CBAABCCBAiiiTiiiiii?322121212323021211320AsBsCs?Si?Si?SI?SSSjiiI?矢量控制基础坐标变换17?2121212318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：?0001000sincos0cossinuuuTiiiiiidqqd?1000sincos0cossin?dqTdq?SISqiSdiSqSdSjiiI?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19矢量控制基础图解各变量之间关系?ABCTSAidqT?SBiSCiSdiSqi?Si?Si?Si?SiSdiSqiSAi19矢量控制基础图解各变量之间关系?ABCTSAid20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21永磁电机数学模型与基本控制方法永磁电机数学模型与基本控制方法AsBsCsdqNS?AXBYCZKuKiK?KR?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120o；（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。21永磁电机数学模型与基本控制方法AsBsCsdqNS?AX22?10dddddddddd0011meqdqdqdqdedqqdqdqdqdiitIILLtIILLiiLLiitLLiiRRuu?qdqdqmpmiiLLinT?232电压方程：转矩方程：永磁电机数学模型与基本控制方法永磁电机数学模型与基本控制方法直轴电感：交轴电感：21021023232323?LLLLLLLLqd?01002003004005006000.511.522.533.5x 10-4IdIq(A)LdLq(H)定 子 DQ轴 电 感 随 定 子 DQ轴 电 流 饱 和 曲 线22?23diqi电流极限圆diqi电压极限椭圆1?2?3?di?qi恒转矩轨迹diqi电流极限圆diqi电压极限椭圆1?2?3?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diqi电流极限圆diqi电压极限椭圆1?2?3?di?qi恒转矩轨迹diqi电流极限圆diqi电压极限椭圆1?2?3?di?qi恒转矩轨迹永磁同步电机的基本特性永磁同步电机的基本特性23diqi电流极限圆diqi电压极限椭圆1?2?3?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diqi1A2A电流极限圆3?2?电压极限椭圆最大转矩/电流比轨迹最大功率输出轨迹3A1?OId=0控制永磁同步电机的基本控制方法24?Id=0控制?最大转矩/电流比控制?恒功率弱磁控制?最251、Id=0控制：smemipT?22limmaxmqemmLTpu?dqAf?sUfIqsiI?0E1RIssIjX1diqi电流极限圆电压极限椭圆Id=0控制1?2?3?永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法251、Id=0控制：smemipT?22limm262、最大转矩/电流比控制：恒转矩轨迹最大转矩/电流比轨迹diqi?0?qsemdsemiiTiiT?22lim22224dqqdqqdmmdiiiLLiLLi?qdqmqdmqbLLCLCLLiLpu?168222limlim?)8(2lim22iLLCqdmm?永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法262、最大转矩/电流比控制：恒转矩轨迹最大转矩/电流比轨迹27diqi电流极限圆1?2?3?电压极限椭圆O?3、恒功率弱磁控制：22lim222limdqdqqdedmdiiiLiLLuLi?222limmddqqiLiLu?22max)()(1qqddmsnbILILUp?永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法27diqi电流极限圆1?2?3?电压极限椭圆O?3、恒功284、最大功率控制：01?diP?ddmdqddqiLiLiLui?22lim?dmmdLui14182lim22?diqi1A电流极限圆3?2?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永磁同步电机的基本控制方法284、最大功率控制：01?diP?ddmdqdd29SVPWM三相逆变器dq?dq?abcMPIPI?位置传感器?PI速度计算?nrefnsqrefisdrefiClarke变换Park变换Park逆变换aVbVcVaibisi?si?sdisqis refV?s refV?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永磁同步电机矢量控制系统29SVPWM三相逆变器dq?dq?abcMPIPI30经典永磁电机矢量控制系统（IPM电机）SVPWM三相逆变器dq?dq?abcMPIPI?位置传感器?PI速度计算?nrefnClarke变换Park变换Park逆变换aVbVcVaibisi?si?sdisqisrefV?srefV?DCUsdrefisqrefi*eT)(e*qTfi?)(e*dTfi?永磁同步电机矢量控制系统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）SVPWM三相逆变31SVPWMVSI?abcMPIPI?位置传感器?ASR速度计算?nClarke变换Park变换ParkaVbVcVaibiDCU*eTFGVR*n(Ud、Ld、Lq)*di*qidiqid*uVR-1q*ui?i?u?uPI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永磁同步电机矢量控制系统31SVPWMVSI?abcMPIPI?位置传感器?32旋转变压器旋转变压器32旋转变压器33主主 要要 内内 容容一、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）33主要内容一、几个术语解释（极对数、电角度、电角频率、相电34两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比H?sinH?cosscosH?sinH?cos?sin?cos永磁无刷电机位置信号永磁同步电机位置信号060 120 180 240 300 360霍尔A相霍尔B相霍尔C相1sin?1cos?1?旋变旋变位置角036034两种电机及其控制系统的对比H?sinH?cosscosH35aibicit?t?t?0?60?360?420?300?240?180?120上桥臂换相上桥臂换相上桥臂换相aebecet?t?t?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两种电机及其控制系统的对比35aibicit?t?t?0?60?360?420?30036两种电机及其控制系统的对比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Aqi交轴电流Aqi直轴电流Adi临界弱磁交轴电流Aqi直轴电流Adi弱磁弱磁增磁临界弱磁直轴电流Adi交轴电流Aqi36两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37两种电机及其控制系统的对比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Aqi临界弱磁三相定子电流A/CiBiAi电机转速(r/min)/1nBiAiCi直轴电流Adi电机转速(r/min)/1n交轴电流Aqi电机转速(r/min)/1n磁阻转矩电机转速NmmT(r/min)/1n永磁转矩电机转速NmmT(r/min)/1n电机输出转矩NmmT电机转速(r/min)/1n电机转速运行时间s/t(r/min)/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38两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比电机输出转矩NmmT电机转速(r/min)/1n电机输出功率kWmP电机转速(r/min)/1n电机效率%m?电机转速(r/min)/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38两种电机及其控制系统的对比电机输出转矩NmmT电机转速(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。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40两种电机及其控制系统的对比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1:1.21.31:1.52.0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41谢谢各位！41谢谢各位！