永磁同步電機工作原理及控制策略解析

1、內容提要內容提要nPMSM和BLDC電機的特點nPMSM和BLDC電機的應用范圍nPMSM和BLDC電機的結構nPMSM和BLDC電機的工作原理nPMSM和BLDC電機的控制策略nPMSM電機的FOC控制策略q PMSM和和BLDC電機的特點電機的特點n優(yōu)點 （1）功率密度大；）功率密度大； （2）功率因數高（氣隙磁場主要或全部由轉）功率因數高（氣隙磁場主要或全部由轉 子磁場提供）；子磁場提供）； （3）效率高（不需要勵磁，繞組損耗?。?；）效率高（不需要勵磁，繞組損耗?。?； （4）結構緊湊、體積小、重量輕，維護簡）結構緊湊、體積小、重量輕，維護簡 單；單； （5）內埋式交直軸電抗不同，產生結構

2、轉）內埋式交直軸電抗不同，產生結構轉 矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱磁性矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱磁性 能較差。能較差。n缺點 （1）價格較高；）價格較高； （2）弱磁能力低；）弱磁能力低； （3）起動困難，高速制動時電勢高，給）起動困難，高速制動時電勢高，給 逆變器帶來一定的風險；逆變器帶來一定的風險； （4）他控式同步電機有失步和震蕩的可）他控式同步電機有失步和震蕩的可 能性。能性。q PMSM和和BLDC電機的特點電機的特點qPMSM和和BLDC電機的應用范圍電機的應用范圍n軟、硬磁盤驅動器、錄像機磁鼓（視頻磁頭）和磁帶伺服系統(tǒng) 體積小、容量小、控制精度高體積小、容量小、控制精度高n機床

3、、機器人等數控系統(tǒng) 快速性好、定位（速度和位置）精度高、快速性好、定位（速度和位置）精度高、起動轉矩大、過載能力強起動轉矩大、過載能力強n交通運輸 電動自行車、電動汽車、混合動力車、電動自行車、電動汽車、混合動力車、 城軌車輛、機車牽引城軌車輛、機車牽引n家用電器 冰箱、空調等（單位體積功率密度高、冰箱、空調等（單位體積功率密度高、 體積?。w積?。﹒PMSM和和BLDC電機的應用范圍電機的應用范圍rrggbbNSACBZYXn模擬結構圖qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構 霍爾傳感器 定子繞組轉子磁鐵n實物結構圖qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構n定子 定子繞組一般制成多相（三

4、、四、五相不定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度，度電角度，通入三相交流電時，產生旋轉磁場。通入三相交流電時，產生旋轉磁場。qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構n轉子 轉子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作轉子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作 為永磁材料。為永磁材料。 采用永磁體簡化了電機的采用永磁體簡化了電機的 結構，提高了可靠性，又沒有轉子銅耗，結構，提高了可靠性，又沒有轉子銅耗， 提高電機的效率。提高電機的效率。 qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構

5、nPMSM按轉子永磁體的結構可分為兩種（1）表面貼裝式（）表面貼裝式（SM-PMSM）直交軸電感直交軸電感Ld和和Lq相同相同氣隙較大，弱磁能力小，氣隙較大，弱磁能力小，擴速能力受到限制擴速能力受到限制qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構（2）內埋式（）內埋式（IPMSM）交直軸電感交直軸電感:LqLd氣隙較小，有較好的氣隙較小，有較好的弱磁能力弱磁能力qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構n無刷直流電機n永磁體的弧極為永磁體的弧極為180180度，永磁體產生的氣度，永磁體產生的氣 隙磁場呈梯形波分布，線圈內感應電動隙磁場呈梯形波分布，線圈內感應電動 勢亦是交流梯形波勢亦是交流梯形波

6、n定子繞組為定子繞組為Y Y或或 聯(lián)結三相整距繞組聯(lián)結三相整距繞組n由于氣隙較大，故電樞反應很小由于氣隙較大，故電樞反應很小 qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構n正弦波永磁同步電機n永磁體表面設計成拋物線，極弧大體為永磁體表面設計成拋物線，極弧大體為 120120度度n定子繞組為短距、分布繞組定子繞組為短距、分布繞組n定子由正弦波脈寬調制（定子由正弦波脈寬調制（SVPWMSVPWM）的電壓）的電壓型逆變其供電，三相電流為正弦或準正型逆變其供電，三相電流為正弦或準正弦波弦波 qPMSM和和BLDC電機的結構電機的結構nPMSM的數學模型ABC、 、：定子三相靜止坐標系：定子兩相靜止坐標系

7、：轉子兩相坐標系、d、q 為了簡化和求解數學模型方程，運用坐標變換理論,通過對同步電動機定子三相靜止坐標軸系的基本方程進 行線性變換，實現電機數學模型的解耦 。qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理：定子電壓：定子電流：定子磁鏈矢量：轉子磁鏈矢量：轉子角位置：電機轉矩角sssfrui假設： 1)忽略電動機鐵心的飽和； 2)不計電動機中的渦流和磁滯損耗； 3)轉子無阻尼繞組。 永磁同步電動機在三相定子參考坐標系中的數學模型可以表達如下：sss sduR idtrjss sfLie定子電壓：定子磁鏈：電磁轉矩：32epssTniqPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理永磁同步

8、電動機在 坐標系中的數學模型可以表達如下：sssjsssiiji定子電流：定子磁鏈：電磁轉矩：32epssssTnii qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理永磁同步電動機在轉子旋轉坐標系d-q中的數學模型可以表達如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉矩：dds drqduR idt qqs qrdduR idt dddfL iqq qL i3()2enfqdqdqTpiLLi iqPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理122334455661.VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、每一瞬間有兩個功率開關導通，每隔60度換相一次，每次換相一個功率開關，每個功率開關導

9、通120度電角度。導通順序為（1 1）兩兩通電方式）兩兩通電方式qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理nBLDC電機控制方式全控橋兩兩通電電路原理圖1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC譯碼電路H1H2H3t0 01Ht2H0 03H0 02t3412VFVF、將三只霍爾集成電路按相位差120度安裝，產生波形如圖所示。qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理a) 導通時合成轉矩b) 導通是合成轉矩c)兩兩通電時合成轉矩23VFVF、Y聯(lián)結繞組兩兩通電時的合成轉矩矢量圖123234345456561612123.VFVFVF VFVFVF VFVFVF VFVFVF

10、 VFVFVF VFVFVF VFVFVF、每一瞬間有三個功率開關導通，每隔60度換相一次，每個功率開關導通180度電角度。導通順序為（2 2）三三通電方式）三三通電方式qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理1U1VF3VF5VF4VF6VF2VFABC譯碼電路H1H2H3Y聯(lián)結三三通電方式的控制原理圖Y聯(lián)結三三通電方式相電壓和線電壓波形t0 0abv2tanv0 0dVM MdV32dV31612VFVFVFqPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理三三通電時的合成轉矩矢量圖a) 導通時合成轉矩b) 導通是合成轉矩c)三三通電時合成轉矩 123VFVFVF()aeeTUU

11、RnTKK KnBLDC電機穩(wěn)定運行機械特性方程（3 3）BLDCBLDC電機運行性能和傳遞函數電機運行性能和傳遞函數：電機轉速（r/min）；：電源電壓（V）；：功率開關壓降（V）；：電動勢系數；：電動機產生的電動轉矩平均（N.m）;：轉矩系數；：電動機的內阻（ ）。eaTnUUKTKRqPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理2375aaTaLaeUUEIRTK IGDdnTTdtEK n24G Dg J2LTGDnBLDC電機的動態(tài)特性方程：電動機負載阻轉矩；：電動機轉子飛輪力矩 （ ）， （ 為轉動慣量）2.N mJqPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理12( )(

12、 )11LeeKKn sU sTT sT s1221/(375)reTeeTKKKR K KTRGDK K；。12eKKTnBLDC電機傳遞函數：電動勢傳遞系數，：轉矩傳遞系數，：電磁時間常數，BLDC電動機動態(tài)結構圖qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理 （1）開環(huán)控制：）開環(huán)控制：u/f恒定恒定 （2）閉環(huán)控制：）閉環(huán)控制：n矢量控制 （70年代）n直接轉矩控制（80年代）n永磁同步電機控制方式qPMSM和和BLDC電機的工作原理電機的工作原理定子電流經過坐標變換后轉化為兩相定子電流經過坐標變換后轉化為兩相旋轉坐標系上的電流旋轉坐標系上的電流 和和 ，從而，從而調節(jié)轉矩調節(jié)轉矩

13、 和實現弱磁控制。和實現弱磁控制。FOC中需要測量的量為：定子電流、中需要測量的量為：定子電流、轉子位置角轉子位置角 dsqsiiq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略eT1、工作原理n以轉子磁場定向以轉子磁場定向n系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高n控制簡單、具有直流電機的調速性能控制簡單、具有直流電機的調速性能n運行平穩(wěn)、轉矩脈動很小運行平穩(wěn)、轉矩脈動很小2、FOC特點q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略n 控制控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉矩與定子電

14、永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉矩與定子電流成正比。流成正比。 其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉矩性能好，其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉矩性能好，可以獲得很寬的調速范圍，適用于高性能的數控機床、可以獲得很寬的調速范圍，適用于高性能的數控機床、機器人等場合。電機運行功率因數低，電機和逆變器機器人等場合。電機運行功率因數低，電機和逆變器容量不能充分利用。容量不能充分利用。3、FOC控制方式q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略0di n 控制控制 控制交、直軸電流分量，保持控制交、直軸電流分量，保持PMSMPMSM的功率因數為的功率因數為1 1，在在 條件下，電機的電磁轉

15、矩隨電流的增加呈條件下，電機的電磁轉矩隨電流的增加呈現先增加后減小的趨勢?，F先增加后減小的趨勢。 可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出的最大轉矩較小。的最大轉矩較小。n最大轉矩最大轉矩/ /電流比控制電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉矩的控制（最優(yōu)轉矩控也稱為單位電流輸出最大轉矩的控制（最優(yōu)轉矩控制）。制）。 它是凸極它是凸極PMSMPMSM用的較多的一種電流控制策略。當輸出用的較多的一種電流控制策略。當輸出轉矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的轉矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。銅耗。q PMSM電機的電機的F

16、OC控制策略控制策略cos1cos14、坐標變換（1 1）ClarkeClarke（3s/2s3s/2s）變換）變換3N：三相繞組每相繞組匝數：兩相繞組每相繞組匝數各相磁動勢為有效匝數與電流的乘積，其相關空間矢量均位于有關相的坐標軸上。2Nq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在 軸上的投影都應相等，因此233332333cos60cos6011()22sin60sin603()2ABCABCBCBCN iN iN iN iN iiiN iN iN iN ii321112233022ABCiiN

17、iiNiq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略考慮變換前后總功率不變，可得匝數比應為2 / 3102133221322C111222333022ABCiiiii3223NN3/2111222333022C坐標系變換矩陣：可得q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略如果三相繞組是Y形聯(lián)結不帶零線，則有302122ABiiii2031162ABiiii0ABCiii于是q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略d兩個交流電流 和兩個直流電流 ，產生同樣的以同步轉速 旋轉的合成磁動勢 軸和矢量 都以轉速 旋轉，分量 的長短不變。 軸與 軸的夾角 隨時間變化（2 2）ParkPark

18、（2s/2r2s/2r）變換）變換1sFdqii、dqii、dq、ii、( )SsF i1q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略由圖可見， 和 之間存在下列關系坐標系變換矩陣：寫成矩陣的形式，得ii、dqii、cossinsincosdqdqiiiiii2 /2cossinsincosddrsqqiiiCiii 2 /2cossinsincosrsC2 /2cossinsincossrCq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略由三組六個開關（ ）組成。由于 與 、 與 、 與 之間互為反向，即一個接通，另一個斷開，所以三組開關有 種可能的開關組合 PWM逆變器模型dUASBSCS

19、ASBSCS+-（3 3）電壓空間矢量）電壓空間矢量,ABCABCSSSSSSASASBSBSCSCS 823q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略若規(guī)定三相負載的某一相與“+”極接通時，該相的開關狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通時，為“0”態(tài)。則8種可能的開關組合 逆變器7種不同的電壓狀態(tài)：n電壓狀態(tài)“1”至“6”n零電壓關狀態(tài)“0”和“7” q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略逆變器的輸出電壓 用空間電壓矢量來表示，依次表示為 ( )su t(001)(101)(011)(100)(110)(010)(000)(111)ssssssssuuuuuuuu、逆變器非零電壓

20、矢量輸出時的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對應關系圖 電壓狀態(tài)和開關狀態(tài)均以6個狀態(tài)為一個周期，相電壓幅值為兩種： 和 2/3dU/3dUq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略把逆變器的7個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內，形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構成正六邊形 q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略選定定子坐標系中的 軸與 矢量復平面的實軸 重合，則其三相物理量 的 矢量 為： a( )( )( )abcXtXtXt、( )X tParkPark22( )( )( )( )3abcX tXtXtXt120=j

21、e式中 復系數，旋轉因子，旋轉空間矢量 的某個時刻在某軸線 軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。( )X tabc、 、q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略若 三相負載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量 的 矢量變換表達式為 2/3/3adbcduuuuu 011abcSPark2 /34 /32( )3jjsabcu tuu eu e對于狀態(tài)“1” 時；可知abc、 、( )su t則2 /34 /32211(011)()33332233jjsdddjdduuu eu euu eq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略電壓空間矢量的結論： n逆變器六個工作電壓狀態(tài)給

22、出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現，相鄰兩個矢量之間相差60度；n電壓空間矢量的幅值不變，都等于 ，因此六個電壓空間矢量的頂點構成了正六邊形的六個頂點；n六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉；n零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。2/3du(011)(001)(101)(011)(100)(110)ssssssuuuuuuq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略5、FOC基本方程SM-PMSM的電壓和磁鏈方程：定子相繞組：定子相繞組電感：定子相繞組互感：轉子電角度：轉子永磁磁鏈其中q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略說明：交軸電流 和轉矩是線性關系，而

23、直軸電流 對轉矩沒有影響。 如果 為電機額定電流，當 時產 生最大轉矩（ ）。磁鏈轉矩方程sIqsidsi,0qssdsiI i22sqsdsIiiq PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略6、FOC的組成（1 1）SVPWMSVPWM模塊。采用先進的調制算法以模塊。采用先進的調制算法以 減少電流諧波、提高直流母線電壓減少電流諧波、提高直流母線電壓 利用率；利用率；（2 2）電流讀取模塊。通過精密電阻或電）電流讀取模塊。通過精密電阻或電 流傳感器測量定子電流；流傳感器測量定子電流；q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略（3 3）轉子速度）轉子速度/ /位置反饋模塊。采用霍爾位置反饋

24、模塊。采用霍爾 傳感器或增量式光電編碼器來準確傳感器或增量式光電編碼器來準確 獲取轉子位置和角速度信息，也可獲取轉子位置和角速度信息，也可 采用無傳感器檢測算法進行測量；采用無傳感器檢測算法進行測量；（4 4）PIDPID控制模塊；控制模塊；（5 5）ClarkClark、ParkPark及及Reverse ParkReverse Park變換模變換模 塊。塊。q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略7、FOC原理圖q PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略r（1 1）將電流讀取模塊測量的相電流）將電流讀取模塊測量的相電流 和和 ， 經過經過ClarkClark變換將其從三相靜止坐標系變變換將其從三相靜止坐標系變 換到兩相靜止坐標系換到兩相靜止坐標系 和和 ；（2 2） 和和 與轉子位置與轉子位置 結合，經過結合，經過ParkPark變換變換 從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系 和和 ；（3 3）轉子速度）轉子速度/ /位置反饋模塊將測量的轉子角位置反饋模塊將測量的轉子角 速度速度 與參考轉速與參考轉速 進行比較，并通過進行比較，并通過PIPI 調節(jié)器產生交軸參考電流調節(jié)器產生交軸參