第六章永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1、第六章永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成和工作原理一、永磁無刷電機(jī)的分類二、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)三、永磁同步電機(jī)的工作原理四、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)一、永磁同步電機(jī)的分類PMSM和BDCM每相勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度波形a)PMSMb)BLDCM 永磁電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的無電刷結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn), 又具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn), 且無需勵(lì)磁繞組, 可以做到體積小、控制效率高, 是當(dāng)前電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)。永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以分為： 由方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(BLDCM) 由正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(PMSM)一、永磁同步電機(jī)的分類 永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以分為無刷直流電動(dòng)機(jī)無刷直

2、流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)(BLDCM)系統(tǒng)和永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)(PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)。 無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、位置檢測(cè)和控制方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn), 但是由于換相電流很難達(dá)到理想狀態(tài), 因此會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲等問題。對(duì)于車速要求不太高的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,BLDCM系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì), 得到了廣泛的重視和普遍應(yīng)用。 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)( PMSM)( PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點(diǎn), 通過合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能, 提高電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍, 因此在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)方面具有較高

3、的應(yīng)用價(jià)值, 已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車界的高度重視, 并在日本得到了普遍的應(yīng)用 , 是一種比較理想的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)1、效率高、更加省電：、效率高、更加省電：a、由于永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵(lì)磁電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗（銅耗）；b、永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線相比異步電機(jī)，其在輕載時(shí)效率值要高很多。c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高，這樣相比異步電機(jī)其電機(jī)電流更小，相應(yīng)地電機(jī)的定子銅耗更小，效率也更高。d、系統(tǒng)效率高：永磁電機(jī)參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機(jī)極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計(jì)成多極電機(jī)（如可以100極

4、以上），這樣對(duì)于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī)，可以做成直接用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動(dòng)效率。永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)2、功率因數(shù)高：、功率因數(shù)高：由于永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè)計(jì)成功率因數(shù)等于1，且與電機(jī)極數(shù)無關(guān)。電機(jī)的功率因數(shù)高有以下幾個(gè)好處：a、功率因數(shù)高，電機(jī)電流小，電機(jī)定子銅耗降低，更節(jié)能；b、功率因數(shù)高，電機(jī)配套的電源，如逆變器，變壓器等，容量可以更低，同時(shí)其他輔助配套設(shè)施如開關(guān)，電纜等規(guī)格可以更小，相應(yīng)系統(tǒng)成本更低。c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高低不受電機(jī)極數(shù)的限制，在電機(jī)配套系統(tǒng)允

5、許的情況下，可以將電機(jī)的極數(shù)設(shè)計(jì)的更高，相應(yīng)電機(jī)的體積可以做得更小，電機(jī)的直接材料成本更低。永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)3、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活：、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活： 由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子上需要安裝導(dǎo)條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組，大大限制了異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活。4、可靠性高：、可靠性高： 由于永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)不受電機(jī)極數(shù)的限制，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和靈活性。永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢(shì)5、體積小，功率密度大：、體積小，功率密度大：

6、電機(jī)效率的增高，相應(yīng)地?fù)p耗降低，電機(jī)溫升減小，則在采用相同絕緣等級(jí)的情況下，電機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更??；電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機(jī)內(nèi)許多無效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應(yīng)體積可以更小。6、起動(dòng)力矩大、噪音小、起動(dòng)力矩大、噪音小、溫升低、溫升低 ：a、永磁同步電機(jī)在低頻的時(shí)候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時(shí)的輸出力矩較異步電機(jī)大，運(yùn)行時(shí)的噪音?。籦、轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機(jī)溫升低，同體積、同重量的永磁電機(jī)功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可減少30%。 （1）價(jià)格較高價(jià)格較高：磁鋼價(jià)格較高。：磁鋼價(jià)格較高。 （2）弱磁能力低弱磁能力低：

7、由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永：由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場(chǎng)，這會(huì)增大定子的電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅來削弱磁場(chǎng)，這會(huì)增大定子的電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅耗；耗； （3）起動(dòng)困難起動(dòng)困難，高速制動(dòng)時(shí)電勢(shì)高，給逆變器帶，高速制動(dòng)時(shí)電勢(shì)高，給逆變器帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。來一定的風(fēng)險(xiǎn)。永磁同步電機(jī)缺點(diǎn)永磁同步電機(jī)缺點(diǎn)二、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖5-57交流永磁電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)a)交流永磁電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)b)永磁電機(jī)控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)交流永磁電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由交流永磁電動(dòng)機(jī)和控制器組成。交流永磁電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由交流永磁電動(dòng)機(jī)和控制器組成。正弦波永磁同步電

8、動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成框圖 二、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)rrggbbNSACBZYX模擬結(jié)構(gòu)圖二、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子定子繞組一般制成三相繞組。三相繞組繞組一般制成三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對(duì)稱分布，在空間互差沿定子鐵心對(duì)稱分布，在空間互差120120度度電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作采用永磁體，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(jiǎn)化了電機(jī)的采用永磁體簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗， 提高電機(jī)的效率。提高電機(jī)的效率。 霍爾傳感器 定

9、子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵實(shí)物結(jié)構(gòu)圖二、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 貼面轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)二、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)（1）表面凸出式結(jié)構(gòu) 表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀?？娠@著提高電動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)。 但由于弱磁調(diào)速范圍小，功率密度低，所以與其他轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力一面沒有優(yōu)勢(shì)。 1997年本田汽車公司PLUS電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了這種結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)。日前可在矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍不寬的正弦波永磁同步電機(jī)中應(yīng)用。比較適合用作汽車的電子伺服驅(qū)動(dòng)：如汽車電子動(dòng)

10、力力一向盤的伺服電機(jī)。（2）表面插入式結(jié)構(gòu) 可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善。制造工藝也較簡(jiǎn)單。但漏磁系數(shù)和制造成本都大。 這種結(jié)構(gòu)型式的永磁同步電動(dòng)機(jī)為豐田汽車公司的蓄電池電動(dòng)車RAV4所采用。本田汽車公司PLUS電動(dòng)車的第一代驅(qū)勸電機(jī)也采用了這種結(jié)構(gòu)。a）內(nèi)置徑向式 b）內(nèi)置切向式 c）內(nèi)置混合式內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)也稱為混合式永磁磁阻電機(jī)。該電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩。磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調(diào)速.擴(kuò)大恒功率范圍運(yùn)行。 內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部。按永磁體磁化方向與

11、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式二種。日前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)以采用徑向式結(jié)構(gòu)的居多。（3)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖l轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2軸承軸承 3端蓋端蓋 4定子繞組定子繞組 5機(jī)座機(jī)座 6定子鐵心定子鐵心 7，8永磁體永磁體 9轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心 10風(fēng)扇風(fēng)扇 11風(fēng)罩風(fēng)罩 12位置、速度傳感器位置、速度傳感器 13，14電纜電纜 15專用變頻驅(qū)動(dòng)器專用變頻驅(qū)動(dòng)器18自行車電機(jī)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)工業(yè)電機(jī)汽車電機(jī)三、永磁同步電機(jī)的工作原理由于電機(jī)定子三相繞組中接入三相對(duì)稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，用旋轉(zhuǎn)磁極N、S來模擬。根據(jù)磁極

12、異性相吸、同性相斥的原理，不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁磁極起始相對(duì)位置如何定子的旋轉(zhuǎn)磁極總會(huì)由于磁拉力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為:同步同步60 f1pn = n0 = NSSNn0n0電動(dòng)機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài) 三相同步電機(jī)的可逆運(yùn)行三相同步電機(jī)的可逆運(yùn)行NSSNn0n0電動(dòng)機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)NSSNn0n0理想空載狀態(tài)理想空載狀態(tài)SNn0NSn0發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)電機(jī)運(yùn)行三、永磁同步電機(jī)的工作原理n1、PMSM的數(shù)學(xué)模型ABC、 、：定子三相靜止坐標(biāo)系：定子兩相靜止坐標(biāo)系：轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系、d、q 為了簡(jiǎn)化和求解數(shù)學(xué)模型方程，運(yùn)用坐標(biāo)變換理論,通過對(duì)同步電動(dòng)機(jī)定子三相靜止坐標(biāo)軸系的基本方程進(jìn) 行線性變

13、換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦 。四、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)：定子電壓：定子電流：定子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子角位置：電機(jī)轉(zhuǎn)矩角sssfrui假設(shè)： 1)忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和； 2)不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗； 3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。 永磁同步電動(dòng)機(jī)在三相定子參考坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：sss sduR idtrjss sfLie定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：32epssTniq1、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電動(dòng)機(jī)在 坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：sssjsssiiji定子電流：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：32epssssTnii q1、永磁同步電機(jī)的數(shù)

14、學(xué)模型、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：dds drqduR idt qqs qrdduR idt dddfL iqq qL i3()2enfqdqdqTpiLLi iq1、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 （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矢量控制矢量控制 （70年代）年代）n直接轉(zhuǎn)矩控制（直接轉(zhuǎn)矩控制（80年代）年代）n智能控制智能控制n永磁同步電機(jī)控制方式q2、永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)n永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略與異步電動(dòng)永磁同步電

15、動(dòng)機(jī)矢量控制策略與異步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略有些不同。機(jī)矢量控制策略有些不同。n由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。n因此，在永磁同步電動(dòng)機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢因此，在永磁同步電動(dòng)機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制。量控制。 （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流 和和 ，從而，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩

16、 和實(shí)現(xiàn)弱磁控制。和實(shí)現(xiàn)弱磁控制。FOC中需要測(cè)量的量為：定子電流、中需要測(cè)量的量為：定子電流、轉(zhuǎn)子位置角轉(zhuǎn)子位置角 dsqsiiq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略eT1、工作原理n以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向n系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，控制精度高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，控制精度高n控制簡(jiǎn)單、具有直流電機(jī)的調(diào)速性能控制簡(jiǎn)單、具有直流電機(jī)的調(diào)速性能n運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小2、FOC特點(diǎn)q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略3、坐標(biāo)變換（1 1）ClarkeClarke（3s/2s3s/2s）變換）變換3N：三相繞組每相繞組匝數(shù)：兩相繞組每相繞組匝數(shù)各相磁動(dòng)勢(shì)為

17、有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。2Nq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與相總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在 軸上的投影都應(yīng)相等，因此233332333cos60cos6011()22sin60sin603()2ABCABCBCBCN iN iN iN iN iiiN iN iN iN ii321112233022ABCiiNiiNiq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)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(shù)比應(yīng)為2 / 3102133221322C111222333022ABCiii

18、ii3223NN3/2111222333022C坐標(biāo)系變換矩陣：可得q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有302122ABiiii2031162ABiiii0ABCiii于是q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略d兩個(gè)交流電流 和兩個(gè)直流電流 ，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) 軸和矢量 都以轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，分量 的長(zhǎng)短不變。 軸與 軸的夾角 隨時(shí)間變化（2 2）ParkPark（2s/2r2s/2r）變換）變換1sFdqii、dqii、dq、ii、( )SsF i1q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略由圖可見，

19、 和 之間存在下列關(guān)系坐標(biāo)系變換矩陣：寫成矩陣的形式，得ii、dqii、cossinsincosdqdqiiiiii2 /2cossinsincosddrsqqiiiCiii 2 /2cossinsincosrsC2 /2cossinsincossrCq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略由三組六個(gè)開關(guān)（ ）組成。由于 與 、 與 、 與 之間互為反向，即一個(gè)接通，另一個(gè)斷開，所以三組開關(guān)有 種可能的開關(guān)組合 PWM逆變器模型dUASBSCSASBSCS+-（3 3）電壓空間矢量）電壓空間矢量,ABCABCSSSSSSASASBSBSCSCS 823q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的

20、FOC控制策略控制策略若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時(shí)，該相的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通時(shí)，為“0”態(tài)。則8種可能的開關(guān)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(guān)狀態(tài)“0”和“7” q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)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、逆變器非零電壓矢量輸出時(shí)的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖 電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以6個(gè)狀態(tài)為一個(gè)周期，相電壓幅值為兩種： 和 2/3dU

21、/3dUq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略把逆變器的7個(gè)輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi)，形成7個(gè)離散的電壓空間矢量。每?jī)蓚€(gè)工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60角度，6個(gè)工作電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形 q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略選定定子坐標(biāo)系中的 軸與 矢量復(fù)平面的實(shí)軸 重合，則其三相物理量 的 矢量 為： a( )( )( )abcXtXtXt、( )X tParkPark22( )( )( )( )3abcX tXtXtXt120=je式中 復(fù)系數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子，旋轉(zhuǎn)空間矢量 的某個(gè)時(shí)刻在某軸線 軸上的投影就是該時(shí)刻該相物理量的瞬時(shí)值。( )X tab

22、c、 、q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略若 三相負(fù)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(dá)式為 2/3/3adbcduuuuu 011abcSPark2 /34 /32( )3jjsabcu tuu eu e對(duì)于狀態(tài)“1” 時(shí)；可知abc、 、( )su t則2 /34 /32211(011)()33332233jjsdddjdduuu eu euu eq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略電壓空間矢量的結(jié)論： n逆變器六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60度；n電壓空間矢量的幅值不

23、變，都等于 ，因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)；n六個(gè)電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；n零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。2/3du(011)(001)(101)(011)(100)(110)ssssssuuuuuuq （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略42永磁無刷電機(jī)位置信號(hào)永磁同步電機(jī)位置信號(hào)43永磁無刷電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)與三相電流永磁同步電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)與三相電流n 控制控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，電機(jī)的輸出

24、轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。流成正比。 其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩性能好，其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機(jī)床、可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場(chǎng)合。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器機(jī)器人等場(chǎng)合。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器容量不能充分利用。容量不能充分利用。5、FOC控制方式q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)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(shù)為的功率因數(shù)為1 1，在在 條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈條件下，電機(jī)

25、的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)?，F(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。 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(zhuǎn)矩較小。的最大轉(zhuǎn)矩較小。n最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/ /電流比控制電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)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(dāng)輸出用的較多的一種電流控制策略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)的銅耗。銅耗。q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略c

26、os1cos146Ld=Lq：LdLq：電流極限圓電壓極限橢圓恒轉(zhuǎn)矩曲線永磁同步電機(jī)的基本特性 不同的控制策略，可能導(dǎo)致不同的電機(jī)；而同一種電機(jī)，采取不同的控制策略，則會(huì)有不同的效果。 因此，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，電磁設(shè)計(jì)必須和控制策略匹配，才能總體因此，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，電磁設(shè)計(jì)必須和控制策略匹配，才能總體上產(chǎn)生一個(gè)最佳的效果。上產(chǎn)生一個(gè)最佳的效果。矢量控制方矢量控制方法法一、一、Id=0控制控制二、最大轉(zhuǎn)矩二、最大轉(zhuǎn)矩/ /電流控制電流控制三、弱磁控制三、弱磁控制四、最大輸出功率控制四、最大輸出功率控制emm qdqd q2m sdq3()231 sin()sin2 22sTpiLL i

27、ipILL I永磁電機(jī)的永磁電機(jī)的dq軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系5、FOC控制方式控制方式（1） Id=0控制（磁場(chǎng)定向控制） 控制是矢量控制中的一個(gè)特殊的控制方法，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，即 =90 ，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。d0I 例如：表貼式永磁同步電機(jī)。例如：表貼式永磁同步電機(jī)。2emm sdq31sin()sin2 22sTpILL I磁場(chǎng)定向控制時(shí)的相量圖磁場(chǎng)定向控制時(shí)的相量圖o90emm s32TpI為什么表貼式永磁電機(jī)都適合用這種控制方式為什么表貼式永磁電機(jī)都適合用這種控制方式？表貼式永磁

28、電機(jī)的交直軸電感相等，表貼式永磁電機(jī)的交直軸電感相等，不可能有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。不可能有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。適用于恒速運(yùn)行，以及調(diào)速范圍要求不高的場(chǎng)合。適用于恒速運(yùn)行，以及調(diào)速范圍要求不高的場(chǎng)合。（2） 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制SPM電機(jī)的定子電流矢量軌電機(jī)的定子電流矢量軌跡跡m qdqd qem223 ()2sdqpiLL i iTIiiemsdemsq/0/0TiiTii表貼式永磁電機(jī)： Ld=Lq可推出結(jié)論：Id=0 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)用的較多的一種電流控制策略。對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)（大多數(shù)表貼式永磁電機(jī)）來說，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id0控制。電

29、流矢量應(yīng)電流矢量應(yīng)滿足的兩條滿足的兩條件件SPM電機(jī)電機(jī)50（2）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制IPM電機(jī)的定子電流矢量軌跡電機(jī)的定子電流矢量軌跡m qdqd qem223 ()2sdqpiLL i iTIiiemsdemsq/0/0TiiTii 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)用的較多的一種電流控制策略。對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)（大多數(shù)表貼式永磁電機(jī)）來說，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id0控制。電流矢量應(yīng)電流矢量應(yīng)滿足的兩條滿足的兩條件件2222mmdqdd4121L LiL其中為電機(jī)的凸極率， =Lq/LdIPM電機(jī)電機(jī)51（3）弱磁控制 弱磁控制的思想來自于他勵(lì)直流

30、電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁控制（通過降低他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流大小，可拓寬其轉(zhuǎn)速范圍）。 而對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，勵(lì)磁磁場(chǎng)是永磁體產(chǎn)生，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，只而對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，勵(lì)磁磁場(chǎng)是永磁體產(chǎn)生，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運(yùn)行時(shí)電壓有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。22d qd dm()uL iL i 不難發(fā)現(xiàn)，在同一電流極限圓上的A點(diǎn)和C點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩也一致，但轉(zhuǎn)速卻是C點(diǎn)更高。 還有，如果按照最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在轉(zhuǎn)速為時(shí)只能做到Tem2大小的功率（B點(diǎn)），但是通過做弱磁控

31、制，增大電機(jī)的直軸去磁電流，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)，可以增大電機(jī)的輸入電流使轉(zhuǎn)矩提高到Tem1(C點(diǎn))達(dá)到了弱磁擴(kuò)速的目的。弱磁控制弱磁控制非弱磁控制非弱磁控制6、FOC的組成（1 1）SVPWMSVPWM模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以模塊。采用先進(jìn)的調(diào)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(cè)量定子電流；流傳感器測(cè)量定子電流；q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略（3 3）轉(zhuǎn)子速度）轉(zhuǎn)子速度/ /位置反饋模塊。采用霍爾位置反饋模塊。采用霍爾 傳感器或

32、增量式光電編碼器來準(zhǔn)確傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確 獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可 采用無傳感器檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)量；采用無傳感器檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)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 （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略7、FOC原理圖q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略r（1 1）將電流讀取模塊測(cè)量的相電流）將電流讀取模塊測(cè)量的相電流 和和 ， 經(jīng)過經(jīng)過ClarkClark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變變換將其

33、從三相靜止坐標(biāo)系變 換到兩相靜止坐標(biāo)系換到兩相靜止坐標(biāo)系 和和 ；（2 2） 和和 與轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)子位置 結(jié)合，經(jīng)過結(jié)合，經(jīng)過ParkPark變換變換 從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 和和 ；（3 3）轉(zhuǎn)子速度）轉(zhuǎn)子速度/ /位置反饋模塊將測(cè)量的轉(zhuǎn)子角位置反饋模塊將測(cè)量的轉(zhuǎn)子角 速度速度 與參考轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速 進(jìn)行比較，并通過進(jìn)行比較，并通過PIPI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ；q （1）PMSM電機(jī)的電機(jī)的FOC控制策略控制策略biaiiiiidiqir*r*qsirel（4 4）交、直軸參考電流）交、直軸參考電流 與實(shí)際反饋的交、與實(shí)際反饋的交、 直軸電流直軸電流 進(jìn)行比較，取直軸參考電流進(jìn)行比較，取直軸參考電流 為為0 0。再經(jīng)過。再經(jīng)過PIPI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 和和 ；（5 5）電壓）電壓 和和 與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子角位置與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子角位置 相結(jié)相結(jié) 合進(jìn)行反合進(jìn)行反ParkPark變換，變換為兩相靜止坐標(biāo)變換，變換為兩相靜止坐標(biāo) 系的電壓系的電壓 和和 ；（6 6）電壓）電壓 和和 經(jīng)過經(jīng)過SVPWMSVPWM模塊調(diào)制為六路開模塊調(diào)制為六路開 關(guān)信號(hào)從而控制三相逆變器的開通與關(guān)關(guān)信號(hào)從而控制三相逆變器的開通與關(guān) 斷。斷。 q （1）PMS