永磁同步電機控制技術

永磁同步電機控制技術第1頁/共106頁內容提要概述永磁同步電機的數學模型矢量控制高速弱磁控制方法無位置傳感器控制總結2第2頁/共106頁概述交流電機同步電機異步電機3電勵磁：直流勵磁永磁鼠籠：感應雙饋：交流勵磁電刷/滑環(huán)電刷/滑環(huán)第3頁/共106頁概述永磁同步電機高效率高功率密度控制相對簡單4第4頁/共106頁概述效率比較(400kW牽引電機)5第5頁/共106頁6緒論

德國西門子參數異步電動機永磁同步電動機額定功率500kW500kW傳動比1:2.79——電機質量750kg400kg電機最大效率94.5%96.5%傳動齒輪效率97%——總效率91.5%96.5%ICE3原型車異步電機與永磁同步電機主要參數對比第6頁/共106頁概述主電路牽引變流器：四象限變流器+三相逆變器一個逆變器控制

一臺電機電機端接觸器：

旋轉→反電勢7第7頁/共106頁概述法國TGV-A同步電機牽引傳動系統8開關器件：晶閘管電流型變流器有源逆變方式第8頁/共106頁概述永磁牽引系統的主要應用阿爾斯通9AGV：720kW/4500rpmCitadis:120kW/3600rpm第9頁/共106頁概述永磁牽引系統的主要應用10西門子Syntegra：直驅第10頁/共106頁概述永磁牽引系統的主要應用龐巴迪11Mitrac永磁牽引系統單軌車斯柯達100%低地板車：46kW第11頁/共106頁概述永磁牽引系統的主要應用東日本鐵路12103系動車組：直驅東芝東京地鐵銀座線新干線E954/955日立/川崎16000系地鐵第12頁/共106頁概述永磁電機的兩種轉子結構表面式(SPM):隱極特性內置式(IPM):凸極特性13第13頁/共106頁概述控制方法恒壓頻比控制矢量控制直接轉矩控制14控制簡單性能低不適合牽引傳動控制較復雜性能高適合牽引傳動控制復雜性能較高應用不多第14頁/共106頁內容提要概述永磁同步電機的數學模型矢量控制高速弱磁控制方法無位置傳感器控制總結15第15頁/共106頁數學模型坐標系與坐標變換不同坐標系下電機方程模型框圖小結16第16頁/共106頁數學模型靜止與旋轉坐標系三相靜止坐標系(abc)兩相靜止坐標系(ab0)兩相旋轉坐標系(dq0)17同一空間矢量在不同坐標系下的投影第17頁/共106頁數學模型坐標變換abc→ab0ab→dq018常系數變換時變系數變換q為d軸與a軸的夾角第18頁/共106頁數學模型abc坐標下電機模型電壓方程磁鏈方程19第19頁/共106頁數學模型abc坐標下電機模型電感方程電感參數時變，與轉子位置有關20第20頁/共106頁數學模型

ab坐標下電機模型電壓方程磁鏈方程對于IPM，電感參數仍然時變21第21頁/共106頁數學模型dq坐標下電機模型電壓方程磁鏈方程電感參數為常數SPM：Lds=Lqs;IPM:Lds<Lqs各電氣量由交流量變?yōu)橹绷髁?2d軸與轉子N極軸線重合第22頁/共106頁數學模型轉矩方程SPMIPM23勵磁轉矩磁阻轉矩第23頁/共106頁數學模型狀態(tài)方程24系統輸入：dq軸電壓狀態(tài)變量：dq軸電流、轉速電流方程第24頁/共106頁數學模型PMSM模型框圖25第25頁/共106頁數學模型PMSM模型框圖定子電壓定子電流電磁轉矩轉速26快過程慢過程第26頁/共106頁數學模型小結27同步旋轉坐標系下(dq)模型最簡單旋轉坐標變換需要轉子位置信息IPM的轉矩有勵磁和磁阻轉矩兩部分電流方程中存在耦合和非線性第27頁/共106頁內容提要概述永磁同步電機的數學模型矢量控制高速弱磁控制方法無位置傳感器控制總結28第28頁/共106頁矢量控制基本原理最大轉矩電流比控制電流解耦控制小結29第29頁/共106頁矢量控制矢量控制基本原理轉速指令轉矩控制系統模型：雙環(huán)結構電機模型轉矩指令電流指令定子電壓定子電流轉速30第30頁/共106頁矢量控制常規(guī)矢量控制框圖31第31頁/共106頁矢量控制PMSM與IM矢量控制32永磁同步電機異步電機轉子位置測量需要不需要磁鏈觀測不需要需要磁鏈控制弱磁時需要需要參數魯棒性高低轉矩控制性能高較高第32頁/共106頁矢量控制兩種電流分配方案33ids=0控制最大轉矩電流比控制(MTPA)電流一定時轉矩最大轉矩一定時電流最小dq電流的優(yōu)化分配第33頁/共106頁矢量控制34ids=0控制第34頁/共106頁矢量控制35ids=0控制適用于SPM;對IPM則未能利用磁阻轉矩轉矩響應速度快控制簡單第35頁/共106頁矢量控制36MTPA目標：確定dq軸電流的分配，使得給定轉矩下定子電流幅值最小。對SPM，即ids=0控制。對IPM，需求解數學優(yōu)化問題。第36頁/共106頁矢量控制37IPM-MTPA問題Min

Sj.拉格朗日函數

求解：

結果：dq電流關系

第37頁/共106頁矢量控制38IPM-MTPA控制方案一

1.實時計算2.離線查表第38頁/共106頁矢量控制39IPM-MTPA控制方案二

第39頁/共106頁矢量控制電流解耦控制40反饋解耦電機模型電流控制器1.交叉影響2.PI參數設計困難第40頁/共106頁矢量控制電流解耦控制41雙PI解耦電機模型電流控制器第41頁/共106頁矢量控制42參數靈敏度分析反饋解耦對電感參數靈敏度雙PI解耦對電感參數靈敏度存在電感誤差時反饋解耦電流動態(tài)波形存在電感誤差時雙PI解耦動態(tài)波形第42頁/共106頁矢量控制兩種解耦方法對比43反饋解耦雙PI解耦理想情況下解耦效果好好電感參數魯棒性低高永磁體磁鏈參數魯棒性低復雜，調試工作較繁瑣實現難度簡單高第43頁/共106頁永磁同步電機交直軸磁路44（a）直軸磁路（b）交軸磁路

第44頁/共106頁基于Ansoft的電機電感計算45設計參數值設計參數值額定功率600kW定子外徑510mm額定電壓2730V轉子外徑290mm額定電流143.882A鐵心長度225mm電機極對數3定子槽數54相數3永磁體材料NdFe38EH電機效率>97%電機永磁體磁鏈1.949Wb600kW內置式永磁同步牽引電機基本參數Ansoft流程圖c永磁體單獨激勵時的磁力線a直軸電流單獨激勵時的磁力線b交軸電流單獨激勵時的磁力線d永磁體和交、直軸電流共同激勵時的磁力線分布

第45頁/共106頁基于Ansoft的電機電感計算46600kW電機電感隨交軸電流變化圖第46頁/共106頁電感變化對IPMSM控制的影響分析

永磁同步電機轉矩閉環(huán)控制47第47頁/共106頁電感變化對IPMSM控制的影響分析

電感變化對輸出轉矩影響48電磁轉矩合成圖設計轉矩實際轉矩轉矩差勵磁轉矩磁阻轉矩設計轉矩1500N·m直軸電流-99.748A交軸電流164.785A固定電感15.38mH實際電感10.5655mH實際轉矩1262.59N·m轉矩差237.41N·m百分比15.8%第48頁/共106頁電感變化對IPMSM控制的影響分析

電感變化對MTPA曲線的影響49固定電感的MTPA軌跡和實際電感MTPA'軌跡

idiqT百分比A'-106.4200.71500A-99.748164.7851262.5915.8%B'-60.16142.61000B-66.068125899.310.1%第49頁/共106頁矢量控制小結50PMSM矢量控制較簡單MTPA控制具有較優(yōu)的效率解耦控制可以明顯改善電流環(huán)性能磁鏈及電感參數的在線辨識第50頁/共106頁內容提要概述永磁同步電機的數學模型矢量控制高速弱磁控制方法無位置傳感器控制總結51第51頁/共106頁弱磁控制基本原理PMSM弱磁區(qū)運行幾種弱磁控制方法弱磁區(qū)保護問題探討小結52第52頁/共106頁弱磁控制電壓與電流限制53電流限制電壓限制穩(wěn)態(tài)簡化第53頁/共106頁弱磁控制電壓與電流限制54SPMIPM第54頁/共106頁弱磁控制弱磁轉折速度55空載轉折速度負載轉折速度弱磁轉折速度的影響因素直流電壓PWM調制方式電流軌跡達到電壓極限時進入弱磁dq電流分配方式永磁體磁鏈第55頁/共106頁弱磁控制弱磁轉折速度56弱磁點的判定公式計算法空載轉折速度電流跟蹤誤差判定法輸出電壓判定法第56頁/共106頁弱磁控制PMSM的運行范圍57OA：MTPA運行區(qū)轉矩逐漸增大最大轉矩點SPMIPM第57頁/共106頁弱磁控制PMSM的運行范圍58AB：弱磁I區(qū)A點為電壓、電流限制圓與MTPA軌跡的交點wrc1為最大轉矩下對應的轉折速度AB為弱磁I區(qū)中不同速度下的最大轉矩點，沿電壓、電流極限圓的交點運行隨速度上升，最大轉矩下降SPMIPM第58頁/共106頁弱磁控制PMSM的運行范圍59BC：弱磁II區(qū)B點后最大轉矩點在電流極限圓內，電壓極限圓上BC為弱磁II區(qū)中不同速度下的最大轉矩點隨速度上升，最大轉矩下降SPMIPM第59頁/共106頁弱磁控制弱磁時的最優(yōu)運行點60給定速度和轉矩下，電壓極限圓上的運行點電流最小IPMSPM第60頁/共106頁弱磁控制弱磁時的最優(yōu)運行點61轉矩不變，速度上升，則id反向增大；SPM的iq不變，IPM的iq減小。IPMSPM第61頁/共106頁弱磁控制弱磁時的最優(yōu)運行點62轉速不變，轉矩增大，則id反向增大，iq增大。IPMSPM第62頁/共106頁弱磁控制現有幾種弱磁控制方案63雙電流環(huán)法單電流環(huán)法電壓相位法第63頁/共106頁弱磁控制雙電流環(huán)法64沿用非弱磁區(qū)的控制結構根據轉速和轉矩確定電流分配方案電流環(huán)PI的改進第64頁/共106頁弱磁控制65直接計算法根據轉速和轉矩判定弱磁轉折點；弱磁前后均通過公式計算電流優(yōu)化運行點；計算量大，參數依賴性強。第65頁/共106頁弱磁控制66電壓校正法根據電壓飽和自動進入弱磁區(qū)；利用電壓誤差校正d軸電流指令；構造q軸電流的校正規(guī)律。第66頁/共106頁弱磁控制雙電流環(huán)法67沿用非弱磁區(qū)的控制結構根據轉速和轉矩確定電流分配方案電流環(huán)PI的改進電流調節(jié)器極易飽和；弱磁區(qū)電流動態(tài)響應慢；常偏離最優(yōu)點運行。第67頁/共106頁弱磁控制現有幾種弱磁控制方案68雙電流環(huán)法單電流環(huán)法電壓相位法電壓幅值不能調節(jié)，只有相位一個控制量第68頁/共106頁弱磁控制單電流環(huán)法69直接給定q軸電壓通過d軸電流進行調速第69頁/共106頁弱磁控制70原理分析小信號模型q軸電壓固定利用了高速區(qū)的強耦合性第70頁/共106頁弱磁控制71運行點F點固定運行在由EF確定的直線上E點隨速度升高向C點靠近給定速度和轉矩下，運行點S2偏離最優(yōu)點S1帶載能力下降第71頁/共106頁弱磁控制72運行過程沿EF直線迅速由S1點運行到S2點同一轉速，不同負載同一負載，不同轉速由S1點運行到S2點第72頁/共106頁弱磁控制q軸電壓在線調整73接近最優(yōu)運行點增加帶載能力第73頁/共106頁弱磁控制現有幾種弱磁控制方案74雙電流環(huán)法單電流環(huán)法電壓相位法電壓幅值不能調節(jié)，只有相位一個控制量第74頁/共106頁弱磁控制電壓相位法75電壓幅值固定，調節(jié)電壓相位電壓相位與轉矩間為強非線性關系控制器不易設計第75頁/共106頁弱磁控制幾種弱磁控制方案對比76電壓相位法雙電流環(huán)單電流環(huán)是否最優(yōu)運行點實際有偏差有偏差動態(tài)響應慢快參數魯棒性低簡單實現難度復雜高電壓相位是較慢較簡單高是否有電流環(huán)有有無第76頁/共106頁弱磁控制弱磁區(qū)保護問題探討77弱磁區(qū)發(fā)生過流等保護不能采用封鎖驅動脈沖的方式電機端三相短路，保護逆變器電機端加裝接觸器第77頁/共106頁弱磁控制高速惰行問題78q軸電流為0，d軸電流維持弱磁惰行時接觸器斷開效率低無需切換效率高進出惰行區(qū)需特殊控制第78頁/共106頁弱磁控制小結79電壓限制造成需弱磁，反向d軸電流可弱磁弱磁區(qū)運行在電壓極限上較優(yōu)幾種弱磁方法各有特點第79頁/共106頁內容提要概述永磁同步電機的數學模型矢量控制高速弱磁控制方法無位置傳感器控制總結80第80頁/共106頁無位置傳感器控制開環(huán)估計法81閉環(huán)觀測器法高頻信號注入法帶速重投問題小結第81頁/共106頁無位置傳感器控制開環(huán)估計法82靜止坐標系下電機方程電壓方程磁鏈方程第82頁/共106頁無位置傳感器控制開環(huán)估計法83定子磁鏈估計轉子磁鏈估計轉子角度估計第83頁/共106頁無位置傳感器控制開環(huán)估計法84純積分的改進簡單直接，動態(tài)響應快估計精度依賴于參數準確性不適用于低速第84頁/共106頁無位置傳感器控制閉環(huán)觀測器法85靜止坐標系下的電機方程第85頁/共106頁無位置傳感器控制閉環(huán)觀測器法86狀態(tài)觀測器原方程觀測器第86頁/共106頁無位置傳感器控制87狀態(tài)觀測器框圖第87頁/共106頁無位置傳感器控制閉環(huán)觀測器法88引入閉環(huán)校正環(huán)節(jié)參數魯棒性高觀測器收斂性問題不適用于低速第88頁/共106頁無位置傳感器控制高頻信號注入法89電機凸極效應電感隨轉子位置角度而變化注入高頻電壓信號后，電流中包含位置信息第89頁/共106頁無位置傳感器控制90電機凸極效應電機靜止在0°位置時，注入高頻電壓的電流響應第90頁/共106頁無位置傳感器控制91電機凸極效應電機旋轉時，注入高頻電壓的電流響應基波電壓與反電勢作用產生基波電流，高頻電壓產生含有位置信息的高頻電流第91頁/共106頁無位置傳感器控制92高頻信號注入法流程框圖電流基波分量高頻分量高頻正序分量高頻負序分量轉子位置信息第92頁/共106頁無位置傳感器控制93高頻信號注入法實驗結果實測角度與觀測角度電流波形第93頁/共106頁無位置傳感器控制小結94觀測器法與高頻信號注入法需結合使用高頻信號注入法適用于低速觀測器法適用于中高速第94頁/共106頁無位置傳感器控制高頻信號注入法95需要電機具有較強的凸極效應信號處理復雜，計算量大參數魯棒性強適用于低速第95頁/共106頁無位置傳感器控制帶速重投問題96電機中速運行電機定子無電流