用于永磁同步电机(-PMSM)的-磁场定向控制(-FOC)的设计实践

©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片1C17L16MCB用于永磁同步电机（PMSM）的磁场定向控制（FOC）的设计实践©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片2课程目标当你走出课堂你将学会：阅读和分析永磁同步电机（PMSM）的数据手册计算三相开关驱动的关键运行参数评估导致项目计划风险的因素获得更好的视角提高你的信心等级©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片3课程安排磁场定向控制（FOC）复习规划项目风险工作点分析测试和诊断技巧©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片4磁场定向控制（FOC）（复习）Image:excerptfromCartaMarina,OlausMagnus,1539FromtheJamesFordBellLibrary,UniversityofMinnesota,Minneapolis,MinnesotaReprintedwithpermission©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片5磁场定向控制（FOC）复习目标：在高带宽范围内控制瞬间转矩设定：3相IM或PMSM磁通量电流轴矢量极对数（3维）（2维参考坐标系）（2维参考坐标系）零转矩：磁通和电流对齐最大转矩：磁通和电流成90度©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片6电流矢量？！3相定子有3组绕组，相互间隔120度电流矢量I是由虚拟线圈产生的磁场分量（Bα和Bβ）的线性组合量磁通矢量：磁场耦合到虚拟线圈中Clarke变换：实际绕组↔虚拟线圈设定：3-相IM或者PMSM磁场定向控制（FOC）复习©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片7参考坐标系静止坐标系αβ磁通和电流矢量都在旋转旋转坐标系dqPMSM和IM：d轴与转子磁场对齐（磁场定向参考坐标系）IM：d轴与转子位置相同（与转子磁场的关系取决于滑差率）磁场定向坐标系普遍用于：我们可以使用直流量来控制稳定的转矩输出（PI调节器控制到零稳态误差）设定：3-相IM或者PMSM磁场定向控制（FOC）复习©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片8转矩控制感应电机：Q轴磁通量=0（通过选择参考坐标系）控制d轴转子磁通（使用转子磁通量方程）控制q轴电流永磁同步电机：标贴式PMSM：Lq=Ld，控制Id→0，Iq转矩内嵌式PMSM（LqLd）：控制方法类似，不过可以通过Id0来增加磁阻转矩设定：3相IM或者PMSM磁场定向控制（FOC）复习©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片9定子电压方程两个一阶系统只使用PI调节器！输入：Id和Iq输出：Vd和VqPMSM适用：设定：3相IM或者PMSM有趣的感应交叉耦合形式相到中心点电压模型磁场定向控制（FOC）复习©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片10机械方程设定：3-相IM或者PMSM注意：ωr=同步电气转速（r=“转子”）ωr=ωe（PMSM）ωr=(1-s)ωe(IM)库伦摩擦粘滞阻尼负载转矩磁场定向控制（FOC）复习©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片11-K+KzevLiLRidtdssss***1VsPMSMIsI*s*被观测电量+-Sign(I*s–Is)滑模观测器zHardware电流观测器磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（SMO）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片12^^^^11sddsddRdiiuezdtLLRdiiuezdtLL滑模观测方程：0011ssssssdiRiuedtLLdiRiuedtLL电机电气微分方程：滑模开关量^^iiii快速切换定子侧电气方程磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（SMO）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片13^^,,smcsmcsmcsmcsmcsmcKziiKKiErrMaxKziiKKiErrMax滑模运动方程：磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（SMO）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片14PWMee用低通滤波器滤掉载波信息从而获取有效、11sszeszes反电势计算方程：磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（SMO）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片1511LpfsLpfseesees为抑制噪音影响，再次低通滤波：1LpfrLpfetge利用反正切求取位置角：磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（SMO）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片16sssseidtdLRiveMotorRLviPMSM电气模型ssssidtdLRive通过电气方程直接计算电机反电势（es）用于后续的PLL观测器磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（PLL）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片17ssssidtdLRiveVSISES=EαβEdqΔLPF1ωmR∫dtωfilteredEstd,q,Edq-filteredLPF2PLL锁定了反电动势矢量的相位速度估算是产生的副产品磁场定向控制（FOC）复习角度观测器（PLL）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片18abc坐标系下的测量Dq坐标系下的控制（PI闭环：零稳态误差)在abc坐标下工作的电压指令功率模块空间矢量调制/零序列调制：•创造可实现的PWM占空比•切换所有相的打开与关闭状态，保持相-相的平均电压内/外闭环结构磁场定向控制（FOC）复习©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片19规划项目风险Image:excerptfromCartaMarina,OlausMagnus,1539FromtheJamesFordBellLibrary,UniversityofMinnesota,Minneapolis,MinnesotaImagereprintedwithpermission©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片20规划项目风险每一个项目都有自己特有的风险提前确认潜在的风险不要假设所有的重复设计都是成熟的包括原理图/PCB布板/软件/调试熟悉你团队成员的经验+技能包！购买新的测试设备测试关键的模块功率级（功率管+栅极驱动器）电流检测ADC采样保护电路（过流和过压）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片21哪些因素会增加设计的难度？易难工作范围单象限四象限（发电）静止负载空载（例如：风扇）重载（摩擦/制动器/恒定转矩）负荷依赖性平滑（独立角度）高变角（压缩机），不平衡的惯量（造纸机械），高干扰/齿槽转矩惯性中等惯量低惯量（快速的机械时间常数）高惯量（再生，高转矩需求）控制带宽低（泵和风扇）高（伺服应用）位置传感器?有位置传感器无位置传感器磁性特征非凸极（表贴永磁电机和感应电机）凸极电机（内嵌永磁电机和同步磁阻电机）反电势谐波正弦反电势波形方波反电势波形（使用FOC控制）线束短线束（1米）长线束（10米，非常恶劣）直流母线电压变化稳压输出VdcVdc一直变化（宽范围，高频抖动）弱磁不需要弱磁高弱磁利用率（50%速度增加范围）感抗中等感抗低感抗，高感抗电气频率低高死区时间低（与PWM周期相关）高（对电流波形产生了较大畸变）共存性电机控制器是独立的低延迟系统（软件TCP/IP）©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片22技术风险再生发电功率级问题栅级驱动功率管直流母线电容电流管理采样限制故障监测©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片23再生发电为什么比你想象的更复杂Image:excerptfromCartaMarina,OlausMagnus,1539FromtheJamesFordBellLibrary,UniversityofMinnesota,Minneapolis,MinnesotaImagereprintedwithpermission©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片24再生发电能量管理稳定性（转矩）（转速）哪种类型？没有再生发电“轻微的”再生发电（只是由惯性造成）持续的再生发电©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片25再生发电：能量管理来源：电气（良态）机械（非良态）存储：½CV2vs.½Jωm2电气：电池协助过载能力：晶体管和线圈损耗：机械载荷,分路调节器（“制动斩波器”）安全/监管是否允许逆流？电气源头电容½CV2机械负载惯量½Jωm2晶体管定子绕组发热发热制动斩波发热粘滞阻力发热驱动器电子部分电机定子端电机转子和负载©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片26举例：MCLV2+Hurst3”电机C=470μF,V=24V→½CV2=0.135JJ=17.7μN∙m∙s2，ωm≈3600RPM=377rad/s→½Jωm2=1.26J10x存储的能量在惯量中电气源头电容½CV2机械负载惯量½Jωm2晶体管定子绕组发热发热制动斩波发热粘滞阻力发热驱动器电子部分电机定子端电机转子和负载再生发电：能量管理©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片27再生发电：稳定性“故障保险”稳定性（受晶体管的不同关闭动作影响）没有再生发电发生：直接降到0轻微的再生发电：缓慢降到0持续的再生发电：加速控制稳定性观察记录：电流环稳定性受到再生发电的影响已知的对一些工况的影响：无传感器FOC，低速感应电机，低速对有传感器的PMSM系统的不知原因的影响©2016MicrochipTechnologyIncorporated版权所有C17L16MCB幻灯片28功率级问题Images:excerptsfromCartaMarina,OlausMagnus,1