永磁同步电机工作原理.ppt

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资源描述
内容提要,PMSM和BLDC电机的特点 PMSM和BLDC电机的应用范围 PMSM和BLDC电机的结构 PMSM和BLDC电机的工作原理 PMSM和BLDC电机的控制策略 PMSM电机的FOC控制策略,PMSM和BLDC电机的特点,优点,(1)功率密度大; (2)功率因数高(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)内埋式交直轴电抗不同,产生结构转 矩,弱磁性能好,表面贴装式弱磁性 能较差。,缺点,(1)价格较高; (2)弱磁能力低; (3)起动困难,高速制动时电势高,给 逆变器带来一定的风险; (4)他控式同步电机有失步和震荡的可 能性。,PMSM和BLDC电机的特点,PMSM和BLDC电机的应用范围,软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓(视频磁头)和磁带伺服系统,体积小、容量小、控制精度高,机床、机器人等数控系统,快速性好、定位(速度和位置)精度高、起动转矩大、过载能力强,交通运输,电动自行车、电动汽车、混合动力车、 城轨车辆、机车牵引,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,模拟结构图,PMSM和BLDC电机的结构,实物结构图,PMSM和BLDC电机的结构,定子,定子绕组一般制成多相(三、四、五相不 等),通常为三相绕组。三相绕组沿定子 铁心对称分布,在空间互差120度电角度, 通入三相交流电时,产生旋转磁场。,PMSM和BLDC电机的结构,转子,转子采用永磁体,目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的 结构,提高了可靠性,又没有转子铜耗, 提高电机的效率。,PMSM和BLDC电机的结构,PMSM按转子永磁体的结构可分为两种,(1)表面贴装式(SM-PMSM),直交轴电感Ld和Lq相同 气隙较大,弱磁能力小, 扩速能力受到限制,PMSM和BLDC电机的结构,(2)内埋式(IPMSM),交直轴电感:LqLd 气隙较小,有较好的 弱磁能力,PMSM和BLDC电机的结构,无刷直流电机,永磁体的弧极为180度,永磁体产生的气 隙磁场呈梯形波分布,线圈内感应电动 势亦是交流梯形波 定子绕组为Y或 联结三相整距绕组 由于气隙较大,故电枢反应很小,PMSM和BLDC电机的结构,正弦波永磁同步电机,永磁体表面设计成抛物线,极弧大体为 120度 定子绕组为短距、分布绕组 定子由正弦波脉宽调制(SVPWM)的电压型逆变其供电,三相电流为正弦或准正弦波,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 :转子两相坐标系,为了简化和求解数学模型方程,运用坐标变换理论,通过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进 行线性变换,实现电机数学模型的解耦 。,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)忽略电动机铁心的饱和; 2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗; 3)转子无阻尼绕组。 永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学模型可以表达如下:,定子电压: 定子磁链: 电磁转矩:,PMSM和BLDC电机的工作原理,永磁同步电动机在 标系中的数学模型可 以表达如下:,定子电流: 定子磁链: 电磁转矩:,PMSM和BLDC电机的工作原理,永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模 型可以表达如下:,定子电压: 定子磁链: 电磁转矩:,PMSM和BLDC电机的工作原理,每一瞬间有两个功率开关导通,每隔60度换相一次, 每次换相一个功率开关,每个功率开关导通120度电 角度。导通顺序为,(1)两两通电方式,PMSM和BLDC电机的工作原理,BLDC电机控制方式,全控桥两两通电电路原理图,将三只霍尔集成电路 按相位差120度安装, 产生波形如图所示。,PMSM和BLDC电机的工作原理,导通时合成转矩 导通是合成转矩 c)两两通电时合成转矩,Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图,每一瞬间有三个功率开关导通,每隔60度换相一次, 每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为,(2)三三通电方式,PMSM和BLDC电机的工作原理,Y联结三三通电方式的控制原理图,Y联结三三通电方式相电压和线电压波形,PMSM和BLDC电机的工作原理,三三通电时的合成转矩矢量图,导通时合成转矩 导通是合成转矩 c)三三通电时合成转矩,BLDC电机稳定运行机械特性方程,(3)BLDC电机运行性能和传递函数,:电机转速(r/min); :电源电压(V); :功率开关压降(V); :电动势系数; :电动机产生的电动转矩平均(N.m); :转矩系数; :电动机的内阻( )。,PMSM和BLDC电机的工作原理,BLDC电机的动态特性方程,:电动机负载阻转矩; :电动机转子飞轮力矩 ( ), ( 为转动惯量),PMSM和BLDC电机的工作原理,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电动机动态结构图,PMSM和BLDC电机的工作原理,(1)开环控制:u/f恒定 (2)闭环控制:,矢量控制 (70年代) 直接转矩控制(80年代),永磁同步电机控制方式,PMSM和BLDC电机的工作原理,定子电流经过坐标变换后转化为两相 旋转坐标系上的电流 和 ,从而 调节转矩 和实现弱磁控制。 FOC中需要测量的量为:定子电流、 转子位置角,PMSM电机的FOC控制策略,1、工作原理,以转子磁场定向 系统动态性能好,控制精度高 控制简单、具有直流电机的调速性能 运行平稳、转矩脉动很小,2、FOC特点,PMSM电机的FOC控制策略,控制 定子电流中只有交轴分量,且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交,电机的输出转矩与定子电流成正比。 其性能类似于直流电机,控制系统简单,转矩性能好,可以获得很宽的调速范围,适用于高性能的数控机床、机器人等场合。电机运行功率因数低,电机和逆变器容量不能充分利用。,3、FOC控制方式,PMSM电机的FOC控制策略,控制 控制交、直轴电流分量,保持PMSM的功率因数为1,在 条件下,电机的电磁转矩随电流的增加呈现先增加后减小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出的最大转矩较小。 最大转矩/电流比控制 也称为单位电流输出最大转矩的控制(最优转矩控制)。 它是凸极PMSM用的较多的一种电流控制策略。当输出转矩一定时,逆变器输出电流最小,可以减小电机的铜耗。,PMSM电机的FOC控制策略,4、坐标变换,(1)Clarke(3s/2s)变换,:三相绕组每相绕组匝数 :两相绕组每相绕组匝数,各相磁动势为有效匝数与电流 的乘积,其相关空间矢量均位 于有关相的坐标轴上。,PMSM电机的FOC控制策略,设磁动势波形是正弦分布的,当三相总磁动势与相 总磁动势与二相总磁动势相等时,两套绕组瞬时磁 动势在 轴上的投影都应相等,因此,PMSM电机的FOC控制策略,考虑变换前后总功率不变,可得匝数比应为,坐标系变换矩阵:,可得,PMSM电机的FOC控制策略,如果三相绕组是Y形联结不带零线,则有,于是,PMSM电机的FOC控制策略,两个交流电流 和两个 直流电流 ,产生同样 的以同步转速 旋转的合 成磁动势,轴和矢量 都以 转速 旋转,分量 的长短不变。 轴与 轴 的夹角 随时间变化,(2)Park(2s/2r)变换,PMSM电机的FOC控制策略,由图可见, 和 之间存在下列关系,坐标系变换矩阵:,写成矩阵的形式,得,PMSM电机的FOC控制策略,由三组六个开关 ( )组成。 由于 与 、 与 、 与 之间互为反向,即一个接通, 另一个断开,所以三组开关有 种可能的开关组合,PWM逆变器模型,(3)电压空间矢量,PMSM电机的FOC控制策略,若规定三相负载的某一相与“+”极接通时,该相 的开关状态为“1”态;反之,与“-”极接通 时,为“0”态。则8种可能的开关组合,逆变器7种不同的电压状态: 电压状态“1”至“6” 零电压关状态“0”和“7”,PMSM电机的FOC控制策略,逆变器的输出电压 用空间电压矢量来表示,依 次表示为,逆变器非零电压矢量输出时 的相电压波形、幅值和电压 状态的对应关系图 电压状态和开关状态均以6 个状态为一个周期,相电压 幅值为两种: 和,PMSM电机的FOC控制策略,把逆变器的7个输出电压状态放入空间平面内,形成 7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量 在空间的位置相隔60角度,6个工作电压空间矢量 的顶点构成正六边形,PMSM电机的FOC控制策略,选定定子坐标系中的 轴与 矢量复平面的实轴 重合,则其三相物理量 的 矢 量 为:,式中 复系数,旋转因子, 旋转空间矢量 的某个时刻在某轴线 轴上的 投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。,PMSM电机的FOC控制策略,若 三相负载的定子绕组接成星形,其输出电 压的空间矢量 的 矢量变换表达式为,对于状态“1” 时;可知,则,PMSM电机的FOC控制策略,电压空间矢量的结论:,逆变器六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现,相邻两个矢量之间相差60度; 电压空间矢量的幅值不变,都等于 ,因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点; 六个电压空间矢量的顺序如下,它们依次沿逆时针方向旋转; 零电压状态7位于六边形中心。,PMSM电机的FOC控制策略,5、FOC基本方程,SM-PMSM的电压和磁链方程,: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,说明:交轴电流 和转矩是线性关系,而直轴电流 对转矩没有影响。 如果 为电机额定电流,当 时产 生最大转矩( )。,磁链转矩方程,PMSM电机的FOC控制策略,6、FOC的组成,(1)SVPWM模块。采用先进的调制算法以 减少电流谐波、提高直流母线电压 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流;,PMSM电机的FOC控制策略,(3)转子速度/位置反馈模块。采用霍尔 传感器或增量式光电编码器来准确 获取转子位置和角速度信息,也可 采用无传感器检测算法进行测量; (4)PID控制模块; (5)Clark、Park及Reverse Park变换模 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)将电流读取模块测量的相电流 和 , 经过Clark变换将其从三相静止坐标系变 换到两相静止坐标系 和 ; (2) 和 与转子位置 结合,经过Park变换 从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系 和 ; (3)转子速度/位置反馈模块将测量的转子角 速度 与参考转速 进行比较,并通过PI 调节器产生交轴参考电流 ;,PMSM电机的FOC控制策略,(4)交、直轴参考电流 与实际反馈的交、 直轴电流 进行比较,取直轴参考电流 为0。再经过PI调节器,转化为电压 和 ; (5)电压 和 与检测到的转子角位置 相结 合进行反Park变换,变换为两相静止坐标 系的电压 和 ; (6)电压 和 经过SVPWM模块调制为六路开 关信号从而控制三相逆变器的开通与关 断。,PMSM电机的FOC控制策略,当 变化时,与 产生偏差 ,经PI调节器输 出设定值 ,和实际交轴电流 比较,得到偏差 , 用来调节实际交轴电流; 如果直轴电流 不为0,因为直轴电流给定值为0, 产生直轴电流偏差 ; 以上两个偏差电流 和 经过PI调节器及反Park 变换后为SVPWM调制算法提供两相电压 ,从而 进一步调节电压空间矢量,并通过逆变器来调节电 机的转速,然后重复上述过程,实现了转速和电流 的双闭环控制系统。,PMSM电机的FOC控制策略,谢谢!,
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