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ep2mnpepepne60dteedU1T5T3T4T6T2T1D3D5D4D6D2DoaibiciaebecedCABC3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。+-ABCA’B’C’1V2V3V位置传感器无刷直流电机电子开关线路5120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'CC'B'AAB'CC'BA'AB'C'ACB'B'CA'AC'BB'CA'AC'BA'CBa)b)c)d)e)f)rrrrrrsso60o60o120o1206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7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dUdC61~TT61~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。8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：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10无刷直流电机的相电流分析t0ftAiBiCisIsIit0ftAiBiCi'ftsIsIit0AiBiftftCisIsIi11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ttt1T2T3T4T5T6T603001201802403604200ttt（2）on-pwm型调制方式t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（3）H_on-L_pwm型调制方式t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（4）H_pwm-L_on型调制方式t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（5）L_pwm-H_pwm型调制方式t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t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（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21krefMr位置rerArerArermmrerAAmmemikiKikiKT11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21krefMr位置时为不弱磁）＝（提前角0refI位置),(If＝发生器提前角21krefMr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）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，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：0001000sincos0cossinuuuTiiiiiidqqd1000sincos0cossindqTdqSISqiSdiSqSdSjiiI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ABCTSAidqTSBiSCiSdiSqiSiSiSiSiSdiSqiSAi20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。22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直轴电感：交轴电感：21021023232323LLLLLLLLqd01002003004005006000.511.52