永磁同步电机工作原理及控制策略

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rrggbb⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕模拟结构图PMSM和BLDC电机的结构霍尔传感器定子绕组转子磁铁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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PMSM和BLDC电机的工作原理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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：ddsdrqduRidtqqsqrdduRidtdddfLiqqqLi3()2enfqdqdqTpiLLiiPMSM和BLDC电机的工作原理122334455661...VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、、、、、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1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC译码电路H1H2H3t01Ht2H03H02t3412VFVF、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aTbTcTbcTcTaTbTcT)aabTacTbcTbaTcaT)b)cacTcTa)导通时合成转矩b)导通是合成转矩c)两两通电时合成转矩23VFVF、Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图123234345456561612123...VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、、、、、、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1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC译码电路H1H2H3Y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t0abv2tanv0dVMdV32dV31612VFVFVFPMSM和BLDC电机的工作原理三三通电时的合成转矩矢量图a)导通时合成转矩b)导通是合成转矩c)三三通电时合成转矩2cTaTcT2bTcTaTbTcT)a)b)c2bT2aToToToToToToToT123VFVFVF()aeeTUURnTKKK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（）。eaTnUUKTKRPMSM和BLDC电机的工作原理2375aaTaLaeUUEIRTKIGDdnTTdtEKn24GDgJ2LTGD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）2.NmJPMSM和BLDC电机的工作原理12()()11LeeKKnsUsTTsTs1221///(375)reTeeTKKKRKKTRGDKK；；。12eKKT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，1RTK()LTs2375GDseK()ns()aEs()()UsUs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dsqsii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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0di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cos1cos14、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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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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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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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dUASBSCSASBSCS+-（3）电压空间矢量,,,,,ABCABCSSSSSSASASBSBSCSCS823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()sutaubucu0tt0013dU(011)sut(001)su(101)su(100)su(110)su(010)su23dU(001)(101)(011)(100)(110)(010)(000)(111)ssssssssuuuuuuuu、、、、、、、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2/3dU/3dU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