第六章永磁电机驱动系统

第六章永磁电机驱动系统的组成和工作原理一、永磁无刷电机的分类二、永磁同步电机的结构三、永磁同步电机的工作原理四、永磁同步电机的数学模型及控制系统一、永磁同步电机的分类PMSM和BDCM每相励磁磁场强度波形a)PMSMb)BLDCM永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动车用电动机研发与应用的热点。永磁无刷电动机可以分为：由方波驱动的无刷直流电动机系统((BLDCM)由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)一、永磁同步电机的分类永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单的优点,但是由于换相电流很难达到理想状态,因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域,BLDCM系统具有一定的优势,得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值,已经受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本得到了普遍的应用,是一种比较理想的电动汽车驱动系统。永磁同步电机相比交流异步电机优势1、效率高、更加省电：a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗（铜耗）；b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效率值要高很多。c、由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。d、系统效率高：永磁电机参数，特别是功率因数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电机（如可以100极以上），这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了传动效率。永磁同步电机相比交流异步电机优势2、功率因数高：由于永磁同步电机在设计时，其功率因数可以调节，甚至可以设计成功率因数等于1，且与电机极数无关。电机的功率因数高有以下几个好处：a、功率因数高，电机电流小，电机定子铜耗降低，更节能；b、功率因数高，电机配套的电源，如逆变器，变压器等，容量可以更低，同时其他辅助配套设施如开关，电缆等规格可以更小，相应系统成本更低。c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限制，在电机配套系统允许的情况下，可以将电机的极数设计的更高，相应电机的体积可以做得更小，电机的直接材料成本更低。永磁同步电机相比交流异步电机优势3、电机结构简单灵活：由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电机转子结构设计更为灵活。4、可靠性高：由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制，便于实现电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率高的减速箱，增加了机械传动系统设计的可靠性和灵活性。永磁同步电机相比交流异步电机优势5、体积小，功率密度大：电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活性，可以省去电机内许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。6、起动力矩大、噪音小、温升低：a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行时的噪音小；b、转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电机温升低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右；同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。（1）价格较高：磁钢价格较高。（2）弱磁能力低：由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗；（3）起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带来一定的风险。永磁同步电机缺点二、永磁同步电机的结构图5-57交流永磁电驱动系统a)交流永磁电驱动系统b)永磁电机控制器内部结构交流永磁电驱动系统由交流永磁电动机和控制器组成。正弦波永磁同步电动机驱动系统的基本组成框图二、永磁同步电机的结构rrggbb⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕•模拟结构图二、永磁同步电机的结构定子绕组一般制成三相绕组。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。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。霍尔传感器定子绕组转子磁铁•实物结构图二、永磁同步电机的结构贴面转子结构二、永磁同步电机的结构（1）表面凸出式结构•表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状。可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能；具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小、动态响应快、转矩脉动低等优点。•但由于弱磁调速范围小，功率密度低，所以与其他转子结构相比在电动车驱动力一面没有优势。•1997年本田汽车公司PLUS电动车的驱动电机采用了这种结构的永磁同步电机。日前可在矩形波永磁同步电动机的恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中应用。比较适合用作汽车的电子伺服驱动：如汽车电子动力力一向盘的伺服电机。（2）表面插入式结构•可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善。制造工艺也较简单。但漏磁系数和制造成本都大。•这种结构型式的永磁同步电动机为丰田汽车公司的蓄电池电动车RAV4所采用。本田汽车公司PLUS电动车的第一代驱劝电机也采用了这种结构。a）内置径向式b）内置切向式c）内置混合式内置式转子结构•内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩。磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速.扩大恒功率范围运行。•内置式结构的永磁体位于转子内部。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式二种。日前国内外电动车驱动以采用径向式结构的居多。（3)内置式转子结构调速永磁同步电动机结构示意图l－转轴2－轴承3－端盖4－定子绕组5－机座6－定子铁心7，8－永磁体9－转子铁心10—风扇11—风罩12－位置、速度传感器13，14－电缆15－专用变频驱动器18自行车电机永磁同步电机结构工业电机汽车电机三、永磁同步电机的工作原理由于电机定子三相绕组中接入三相对称交流电产生旋转磁场，用旋转磁极N、S来模拟。根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋转磁极与永磁磁极起始相对位置如何定子的旋转磁极总会由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转速可表示为:同步60f1pn=n0=NSn0n0θ电动机状态•三相同步电机的可逆运行NSn0n0θ电动机状态NSSNn0n0理想空载状态n0NSn0θ发电机运行三、永磁同步电机的工作原理1、PMSM的数学模型ABC、、：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、d、q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。rAfdssqisdisusiq0CB四、永磁同步电机的数学模型及控制系统：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sssfrui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：ssssduRidtrjsssfLie定子电压：定子磁链：电磁转矩：32epssTni1、永磁同步电机的数学模型永磁同步电动机在坐标系中的数学模型可以表达如下：sssjsssiiji定子电流：定子磁链：电磁转矩：32epssssTnii1、永磁同步电机的数学模型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：ddsdrqduRidtqqsqrdduRidtdddfLiqqqLi3()2enfqdqdqTpiLLii1、永磁同步电机的数学模型（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）智能控制永磁同步电机控制方式2、永磁同步电机的控制系统永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电动机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。（1）PMSM电机的FOC控制策略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dsqsii（1）PMSM电机的FOC控制策略eT1、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（1）PMSM电机的FOC控制策略3、坐标变换（1）Clarke（3s/2s）变换6060OACB2Ni3BNi2Ni3CNi3N：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。2N（1）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233332333cos60cos6011()22sin60sin603()2ABCABCBCBCNiNiNiNiNiiiNiNiNiNii321112233022ABCiiNiiNi（1）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2/3102133221322C111222333022ABCiiiii3223NN3/2111222333022C坐标系变换矩阵：可得（1）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302122ABiiii2031162ABiiii0ABCiii于是（1）PMSM电机的FOC控制策略d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1sFdqii、dqii、dq、ii、()SsFi1（1）PMSM电机的FOC控制策略iOqqiidsinqisdisindicosqi()ssFi1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ii、dqii、cossinsincosdqdqiiiiii2/2cossinsincosddrsqqiiiCiii2/2cossinsincosrsC2/2cossinsincossrC（1）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