第一章-pmsm数学模型及矢量控制汇总

第2章永磁同步电机的结构特点及数学模型2.1永磁同步电机概述电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。自1831年电磁感应定律为人们所知，人们发现可以利用磁场将电能与机械能进行相互转化，由此发明了电机。随着不同种类的电机相继出现，大力推动了电气工程行业及电力电子工业的发展。众所周知，要于电机之内建立所需的磁场，一种方式是可以通过在电机内部对电机绕组通以电流产生磁场，需要持续的提供电能维持磁场存在，磁场强度取决于电机内部的电流及绕组的结构。另一种可以通过永磁体产生磁场，由于永磁材料的固有特性故不再需要提供其他外在能量便可以持续维持磁场存在，因此采用永磁材料产生磁场可以使电机在自身结构上更为简单，其运行的安全程度和效率也随之提高。起初人们并未发现可用于建立磁场的较为合适的材料，因此人们利用天然的磁铁矿石制成永磁材料，并在19世纪20年代制成世界上第一台永磁电机。但由于天然磁铁矿石的磁性较低，因此为了满足磁场需求，制成的电机体积庞大，性能较差，并不能达到人们在工业等相关领域的要求。直到1845年，英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，随后又发明了自励电励磁发电机，开创了电励磁方式的先河。它弥补了天然磁铁的不足，在随后的几十年中，电励磁电机逐渐取代了原始的永磁电机随着电机技术发展的需要，人们开始不断寻找磁性能更好的永磁材料。20世纪中期被发现并加以应用的铝镍钴永磁材料和铁氧体永磁材料就是很好的例子，因其磁性能在原有材料基础上的较大提高，因此在工业、农业、军事或者在日常生活中人们又重新重视起永磁电机的应用。但这两种材料也有其自身的缺陷，铝镍钴永磁材料矫顽力较低、易退磁，铁氧体永磁材料的剩磁较低，在一定程度上又限制了永磁电机的发展。随着人们的继续探索，20世纪60年代美国人K.J.Stmat研制出的以钐钴为主要成分的稀土永磁材料，被称为第一代稀土永磁材料，引领永磁电机发展到一个新的阶段。由于其价格昂贵，起初各国研发的重点通常在航空航天和要求高性能的高科技领域。直到无论从价格还是性能上都更具优势的钕铁硼永磁材料的问世。1973年以为主要成分的第二代稀土永磁材料随之出现，这种永磁材料最大磁能积达到了158.7KJ/m3。1983年又发现钕铁硼（NdFeB）永磁材料（第三代稀土永磁材料），由于这种材料中不含有战略物资钴，而且材料中的钕的价格远远低于钐，所以一出现变引起了人们的关注。自此，国内外研发的重点开始转向工业和民用电机中。我国稀土资源丰富，可以说我们在该材料和电机的科研上是有巨大优势的，我们应致力于将永磁电机的品种和应用领域不断扩大，使其向体积微型化、功能扩大化和效率高能化方向发展。2.1.1永磁同步电机的特点由于结构的差异使得永磁同步电机具有以下优点:1、效率高,功率因数高,节约能源,损耗低,温升低。与异步电机相比,由于永磁同步电机在稳态运行时也没有转子铜损耗,没有无功励磁电流,使定子电流和定子铜损耗大大降低,具有更高的功率因数,可以不用装冷却风扇。与同规格的异步电机相比,其效率要高2%-8%。2、过载能力强,转速平稳,转矩纹波系数小,动态响应快而准。当转矩发生扰动时,同步电动机比感应电机有较快的反应和更强的过载能理。在三相异步电机的转速发生相应的变化时,电机响应的快速性被系统转动部分的惯性阻碍。所以感应电机负载转矩发生变化,它的转差率也要跟着发生变化。而针对同步电动机的负载转矩发生干扰时,转速始终维持在原来的同步速度,只需要适当变化电机的功角,电机对转矩的快速响应不会被转动部分的惯性影响。实践证明,永磁同步电动机在负载转矩大幅变化时,额定转矩可以只有最大转矩的三分之一,非常有利稳定运行。3、体积小,结构简单,重量轻。高性能永磁材料的应用,使得永磁同步电机功率密度提高,与同容量的异步电机和直流电机相比,其质量和体积都有较大减少。4、控制简单,可靠性高,使用寿命长。与异步电机和电励磁同步电机相比,其控制更为简单。与直流电机相比,没有电刷,结构简单,系统的可靠性提高。5、适应性强,应用范围广。特别是与电子控制器件的匹配性好,以致电机组成系统总价便宜。2.2永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型电动机的数学模型包括以下四组方程:转矩方程,电压方程,运动方程和磁链方程。为了简化分析,首先对交流永磁电动机作如下假设:(1)当PMSM定子绕组通过三相对称正弦电流,其气隙磁场中磁动势按照正弦规律分布,可以忽略气隙中的高次谐波。(2)三相定子绕组按照每两相之间各差120°的对称结构分布；(3)永磁体材料电导率忽略不计；(4)忽略电机的磁路饱和及磁滞满流的影响，认为磁路是线性的；(5)驱动开关管和续流二极管为理想元件。如图所示为PMSM在三相静止坐标系(A-B-C)下等效模型:图1.1永磁同步电机三相静止坐标系下等效模型其中A，B，C为PMSM三相绕组，ωr为PMSM角速度旋转方向,ωr与永磁体磁场方向Ψf夹角为θ。2.2.1定子电压方程:112211221122AAABBBCCCRPLPMPMuieuPMRPLPMieuiePMPMRPL上式中，uA、uB、uC为三相定子电压，iA、iB、iC为三相定子电流，eA、eB、eC为永磁体磁场在三相电枢绕组中感应的旋转电动势。M为绕组间互感；R为定子绕组电阻；L厂为定子绕组自感；P为微积分因数，P=d/dt。2.2.2定子磁链方程定子绕组磁链取决于转子永磁磁极的励磁磁场,三相绕组通的电流大小及转子位置有关。AAAABACAfABBABBBCBfBCCACBCCCfCLMMiMLMiMMLi式中MAB，MBC，MAC，MCC，MBA，MCA为三相绕组互感，ΨA、ΨB、ΨC分别为三相绕组磁通量，iA、iB、iC分别为三相绕组相电流，ΨfA、ΨfB、ΨfC分别为转子永磁磁链在各相绕组中的投影；LAA、LBB、LCC分别为每项绕组自感。由上rrABC式可以推出：00cos00cos2/300cos/fAfrefBfrefCfre上式中f为转子与三相绕组交链的永磁体磁链的幅值。2.2.3定子电磁转矩方程电磁转矩Te可以用电枢绕组交链的永磁体磁链与电枢绕组电流的乘积之和来表示。sinsin(2/3)sin(2/3)efurevrewreTpiii上式中Te为电磁转矩，p为极对数。2.3坐标变换一般使用的有如下3种参考坐标系:(1)k等于零的静止参考坐标系:这种参考系固定在定子上,如ABC坐标系、坐标系。(2)k等于转子转速的参考坐标系:这是一种固定在转子上的空间旋转坐标系,称为dq坐标系,常用于同步电机。(3)k等于同步转速的参考坐标系:属于旋转解耦的dq坐标系,参考系与转子磁场、定子磁场或者气隙磁场一起以同步转速旋转。常用于各类交流电机的矢量控制中,当满足磁场定向条件时叫做MT坐标系。2.3.1坐标变换基本原理在交流电机原理中,我们知道,当在空间互差120°的A、B、C三相对称绕组中通以三相对称正弦交流电时,在定子与转子气隙中,将产生以同步速度,按A-Z-B-X-C-Y方向旋转的,在空间是呈正弦规律分布合成的旋转磁动势F,它的物理模型如图2-3(a)所示。两相或者多相对称绕组通入平衡的多相电流时,都能产生旋转磁动势。如图2-3(b)所示的静止两相静止绕组和;它们在空间上相差90。ABC0由于在三相静止坐标系下，电枢电压，电流值均为交流量，空间矢量按照同步转速进行旋转，所以难以对其进行控制。因此可以根据坐标变换原理，将其从三相静止坐标系（A—B—C）转换到两相静止坐标系（α—β）下。从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系需要将三个坐标轴的空间矢量VA、VB、VC通过Clark变换转化到两相空间矢量坐标下,其两相投影分量为V、V。Clark变换矩阵为：1112233022ABCVVVVVABC0如果需要将两相静止坐标系转换到三相静止坐标系，则需要进行Clark逆变换，对上式乘以系数逆矩阵可得Clark逆矩阵：1013221322ABCVVVVV接着需要从两相静止坐标系变换为两相旋转坐标系，令静止坐标系α轴与旋转坐标系的d轴夹角为θ，可以得到Park变换矩阵：cossinsincosdqVVVV如果需要从两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系，只需要对上式求其逆矩阵即可：cossinsincosdqVVVV如图3.2所示为PMSM在d-q旋转坐标系下的数学模型:图1.2d-q旋转坐标系下的PMSM等效模型is为定子电流空间矢量，Ψs为与is方向相同的定子磁链空间矢量，β为定子磁链与气隙磁场的电角度。电压方程:01dsddrdrrqdrsqquRpLLiuLRpLi上式中，ωr转子角频率为；d-q绕组等效电流和等效电压分别为id、ud、uq；d-q绕组等效电感分别为Ld、Lq。d-q坐标系下磁链方程为isOiqγθreΨredωreβqid000fdddffqqqLiLi上式中，id、iq为d、q轴电枢电流；Ld、Lq为电枢绕组d、q轴的电感，Ψf为永磁体产生的磁链。由电磁转矩方程有：()efddfqqfqdqdqTpiipiLLii公式中P为极对数。1.3永磁同步电机矢量控制系统由于永磁同步电机不具有直流永磁电机中电枢电流产生的磁动势永远与永磁体磁场正交的特性，对旋转的空间矢量进行控制十分不方便。因此为了更好的实现PMSM的动态性能，二十世纪七十年代德国学者提出了PMSM基于电压的空间矢量控制原理，进一步解决了对电机转矩和转速的控制问题。矢量控制的根本原理是采用坐标变换的方法将同步电机等效成直流电机进行控制，将旋转矢量等效成静止的分量。把交流电机定子电流矢量进行分解，转换成两个按照转子磁场定向的直流分量id和iq，最终通过对这两个直流分量的控制实现对PMSM转矩及转速控制。图1.3PMSM矢量控制系统框图图1.3是一种典型综合性的电机矢量控制系统，该系统主要由如下几个部分组成：测量转子磁场位置的旋转变压器；转速环；坐标变换算法；逆变器；SVPWM系统及解耦控制系统等。进行矢量控制的原理是，由转速环将旋变传感器检测到的电机转速与给定的ω进行比较，将结果作为电流环的输入值。电流传感器采集到的定子电流iA、iB、iC通过Clark变换转换到两相静止坐标系下得到iα和iβ，iαuqiβPMSMPIPIPIpark-1变换svpwm逆变器park变换clark变换ω*ω速度传感器iq*idiqid*ud再通过Park变换到两相旋转坐标系下，得到id和iq。将其与电流环给定值进行比较，比较后的值作为PI调节器的输入值，PI输出为电压ud和uq，将其进行Park逆变换得到静止坐标系下电压和uu，对其进行SVPWM变换得到PMW信号驱动IGBT，利用PWM的空间矢量特性，使电压源逆变器进行特殊关断顺序，由此达到对电机进行控制的目的。1.4SVPWM调制原理3空间电压矢量调制的特点SVPWM的基本思想:是根据在对三相定子对称电动机输入三相对称正弦电压时的理想磁链圆为基准,三相逆变器采用不同开关的模式使得到实际磁链矢量跟踪基准磁链圆。在此过程中,适当切换逆变器的开关模式,形成PWM波。采用空间电压矢量算法的逆变器输出线电压幅值最