永磁同步電機(jī)工作原理及其控制策略

PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn)PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理PMSM和BLDC電機(jī)的控制策略PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/91PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

（1）功率密度大；（2）功率因數(shù)高（氣隙磁場(chǎng)主要或全部由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)提供）；（3）效率高（不需要?jiǎng)?lì)磁，繞組損耗?。?；（4）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，維護(hù)簡(jiǎn)單；（5）內(nèi)埋式交直軸電抗不同，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱磁性能較差。2021/5/92缺點(diǎn)

（1）價(jià)格較高；（2）弱磁能力低；（3）起動(dòng)困難，高速制動(dòng)時(shí)電勢(shì)高，給逆變器帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)；（4）他控式同步電機(jī)有失步和震蕩的可能性。

PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn)2021/5/93PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍軟、硬磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、錄像機(jī)磁鼓（視頻磁頭）和磁帶伺服系統(tǒng)

體積小、容量小、控制精度高機(jī)床、機(jī)器人等數(shù)控系統(tǒng)

快速性好、定位（速度和位置）精度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)2021/5/94交通運(yùn)輸

電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)、城軌車(chē)輛、機(jī)車(chē)牽引家用電器

冰箱、空調(diào)等（單位體積功率密度高、體積小）PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍2021/5/95rrggbbNS⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕模擬結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/96

霍爾傳感器定子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵實(shí)物結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/97定子

定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對(duì)稱(chēng)分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/98轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。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(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機(jī)的效率。

PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/99PMSM按轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)可分為兩種（1）表面貼裝式（SM-PMSM）直交軸電感Ld和Lq相同氣隙較大，弱磁能力小，擴(kuò)速能力受到限制PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/910（2）內(nèi)埋式（IPMSM）交直軸電感:Lq>Ld氣隙較小，有較好的弱磁能力PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/911無(wú)刷直流電機(jī)永磁體的弧極為180度，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)呈梯形波分布，線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)亦是交流梯形波定子繞組為Y或聯(lián)結(jié)三相整距繞組由于氣隙較大，故電樞反應(yīng)很小

PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/912正弦波永磁同步電機(jī)永磁體表面設(shè)計(jì)成拋物線，極弧大體為

120度定子繞組為短距、分布繞組定子由正弦波脈寬調(diào)制（SVPWM）的電壓型逆變其供電，三相電流為正弦或準(zhǔn)正弦波PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021/5/913PMSM的數(shù)學(xué)模型：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

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(guò)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)行線性變換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦。PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理：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2021/5/914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(wú)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：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/915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：定子電流：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/916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：PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/917每一瞬間有兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次，每次換相一個(gè)功率開(kāi)關(guān)，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通120度電角度。導(dǎo)通順序?yàn)椋?）兩兩通電方式PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理BLDC電機(jī)控制方式全控橋兩兩通電電路原理圖2021/5/918將三只霍爾集成電路按相位差120度安裝，產(chǎn)生波形如圖所示。PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理

導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩c)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖2021/5/919每一瞬間有三個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通180度電角度。導(dǎo)通順序?yàn)椋?）三三通電方式PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖2021/5/920Y聯(lián)結(jié)三三通電方式相電壓和線電壓波形PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖

導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩c)三三通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩

2021/5/921BLDC電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)械特性方程（3）BLDC電機(jī)運(yùn)行性能和傳遞函數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；：電源電壓（V）；：功率開(kāi)關(guān)壓降（V）；：電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；：電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均（N.m）;：轉(zhuǎn)矩系數(shù)；：電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻（）。PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/922BLDC電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性方程：電動(dòng)機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩（），（為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/923BLDC電機(jī)傳遞函數(shù)：電動(dòng)勢(shì)傳遞系數(shù)，：轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，：電磁時(shí)間常數(shù)，BLDC電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/924

（1）開(kāi)環(huán)控制：u/f恒定（2）閉環(huán)控制：矢量控制（70年代）直接轉(zhuǎn)矩控制（80年代）永磁同步電機(jī)控制方式PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理2021/5/925定子電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和實(shí)現(xiàn)弱磁控制。FOC中需要測(cè)量的量為：定子電流、轉(zhuǎn)子位置角

PMSM電機(jī)的FOC控制策略1、工作原理2021/5/926以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，控制精度高控制簡(jiǎn)單、具有直流電機(jī)的調(diào)速性能運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小2、FOC特點(diǎn)PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/927

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)矩與定子電流成正比。其性能類(lèi)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、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。3、FOC控制方式PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/928

控制控制交、直軸電流分量，保持PMSM的功率因數(shù)為1，在條件下，電機(jī)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)?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制

也稱(chēng)為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。它是凸極PMSM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)的銅耗。PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/9294、坐標(biāo)變換（1）Clarke（3s/2s）變換：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。PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/930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PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/931考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為坐標(biāo)系變換矩陣：可得PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/932如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有于是PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/933兩個(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）Park（2s/2r）變換PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/934由圖可見(jiàn)，和之間存在下列關(guān)系坐標(biāo)系變換矩陣：寫(xiě)成矩陣的形式，得PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/935由三組六個(gè)開(kāi)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(kāi)，所以三組開(kāi)關(guān)有種可能的開(kāi)關(guān)組合PWM逆變器模型（3）電壓空間矢量

PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/936若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時(shí)，該相的開(kāi)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(kāi)關(guān)組合逆變器7種不同的電壓狀態(tài)：電壓狀態(tài)“1”至“6”零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7”

PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/937逆變器的輸出電壓用空間電壓矢量來(lái)表示，依次表示為

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(kāi)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PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/938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60o角度，6個(gè)工作電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形

PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/939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：

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。PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/940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

對(duì)于狀態(tài)“1”時(shí)；可知?jiǎng)tPMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/941電壓空間矢量的結(jié)論：

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；電壓空間矢量的幅值不變，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)；六個(gè)電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/9425、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(zhuǎn)子電角度：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈其中PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/943說(shuō)明：交軸電流和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，而直軸電流對(duì)轉(zhuǎn)矩沒(méi)有影響。如果為電機(jī)額定電流，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩（）。磁鏈轉(zhuǎn)矩方程PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/9446、FOC的組成（1）SVPWM模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率；（2）電流讀取模塊。通過(guò)精密電阻或電流傳感器測(cè)量定子電流；PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/945（3）轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來(lái)準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無(wú)傳感器檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)量；（4）PID控制模塊；（5）Clark、Park及ReversePark變換模塊。PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/9467、FOC原理圖PMSM電機(jī)的FOC控制策略2021/5/947（1）將電流讀取模塊測(cè)量的相電流和，經(jīng)過(guò)Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系和；（2）和與轉(zhuǎn)子位置結(jié)合，經(jīng)過(guò)Park變換