永磁同步電機及轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制

永磁同步電機及轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制電氣工程王俊鵬當前第1頁\共有34頁\編于星期四\8點永磁同步電機結(jié)構(gòu)和工作原理永磁同步電機的數(shù)學模型永磁同步電機的控制方式

PMSM的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制總結(jié)永磁同步電機的優(yōu)勢與應用當前第2頁\共有34頁\編于星期四\8點1.永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1永磁同步電機（PermanentMagneticSynchronousMachine）的結(jié)構(gòu)1）永磁同步電機的結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置的傳感器。2）定子采用三相對稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差120度。3）轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。4）位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。圖1-1定子三相對稱繞組結(jié)構(gòu)當前第3頁\共有34頁\編于星期四\8點1.2永磁同步電機的工作原理當電機對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉(zhuǎn)子氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為:式中f—電源頻率；p—定子極對數(shù)；轉(zhuǎn)子為永磁體且n與ns相同（同步）；磁場的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極對數(shù)。磁場的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。由于電磁感應作用，閉合的轉(zhuǎn)子導體內(nèi)將產(chǎn)生感應電流。這個電流產(chǎn)生的磁場和定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子（永磁體）“跟著”定子磁場旋轉(zhuǎn)起來，其轉(zhuǎn)速為n。如果能改變定子三相電源的頻率和相位,就可以改變轉(zhuǎn)子的速度和位置。當前第4頁\共有34頁\編于星期四\8點

為了使得永磁同步電動機具有正弦波感應電動勢波形,其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈拋物線狀,使其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布。定子電樞采用短距分布式繞組,能最大限度地消除諧波磁動勢。圖1-2旋轉(zhuǎn)磁動勢波形圖當前第5頁\共有34頁\編于星期四\8點2.永磁同步電機的優(yōu)勢與應用2.1永磁同步電動機的優(yōu)勢我國電動機保有量大，消耗電能大，設備老化，效率較低。永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動力矩大、力能指標好、溫升低等特點。當前第6頁\共有34頁\編于星期四\8點永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢：（1）效率高、更加省電。由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導致的勵磁損耗。永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，其在輕載時效率值要高很多，這是永磁同步電機在節(jié)能方面，相比異步電機最大的一個優(yōu)勢。由于永磁同步電機功率因數(shù)高，這樣相比異步電機其電機電流更小，相應地電機的定子銅耗更小，效率也更高。永磁電機參數(shù)，不受電機極數(shù)的影響，因此便于設計成多極電機，這樣對于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動負載電機，可以做成直接用永磁同步電機驅(qū)動的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。當前第7頁\共有34頁\編于星期四\8點（2）電機結(jié)構(gòu)簡單靈活。由于異步電機轉(zhuǎn)子上需要安裝導條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組，大大限制了異步電機結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計更為靈活，如對鐵路牽引電機，可以將電機轉(zhuǎn)子的磁鋼可直接安裝在機車輪對的轉(zhuǎn)軸上，從而省去了減速齒輪箱，結(jié)構(gòu)大為簡化。由于永磁同步變頻調(diào)速電機參數(shù)不受電機極數(shù)的限制，便于實現(xiàn)電機直接驅(qū)動負載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機械傳動系統(tǒng)設計的靈活性。（3）可靠性高。從電機本體來對比，永磁同步變頻調(diào)速電機與異步電機的可靠性相當，但由于永磁同步電機結(jié)構(gòu)的靈活性，便于實現(xiàn)直接驅(qū)動負載，省去可靠性不高的減速箱。在某些負載條件下甚至可以將電機設計在其驅(qū)動裝置的內(nèi)部，從而可以省去傳統(tǒng)電機故障率高的軸承，大大提高了傳動系統(tǒng)的可靠性。當前第8頁\共有34頁\編于星期四\8點（4）體積小，功率密度大。永磁同步變頻調(diào)速電機體積小，功率密度大的優(yōu)勢，集中體現(xiàn)在驅(qū)動低速大扭矩的負載時，一個是電機的極數(shù)的增多，電機體積可以縮小。電機效率的增高，相應地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設計的更??；電機結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機內(nèi)許多無效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應體積可以更小。（5）起動力矩大、噪音小、溫升低。永磁同步電機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時的輸出力矩較異步電機大，運行時的噪音小。轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%。當前第9頁\共有34頁\編于星期四\8點2.2永磁同步電機的應用案例基于永磁同步電機上述眾多優(yōu)勢，特別在目前國家“節(jié)能減排”的大背景下，其應用前景極為廣闊。隨著永磁體及永磁同步電機控制技術的日益成熟可靠，其應用范圍基本上可以覆蓋目前應用電機所有領域。當前第10頁\共有34頁\編于星期四\8點電梯領域永磁同步電機產(chǎn)生較小的諧波噪聲，應用于電梯系統(tǒng)中，可以帶來更佳的舒適感。當前第11頁\共有34頁\編于星期四\8點電動汽車伴隨汽車工業(yè)的急速發(fā)展，環(huán)保問題也越來越嚴重，為了解決上述問題，并且大幅改善燃油經(jīng)濟型，毫無疑問就是使用電動汽車。永磁同步電機以其高效率、高功率因數(shù)和高功率密度等優(yōu)點，正逐漸成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流電機之一。當前第12頁\共有34頁\編于星期四\8點軌道交通領域2007年，阿爾斯通公司研發(fā)的新一代永磁牽引電機系統(tǒng)的高速AGV列車—V150，創(chuàng)下列車速度世界新紀錄574.8km/h。2015年6月24日，歷時11年，累計1000萬次試驗，積累150G數(shù)據(jù)，耗資1億元，中國中車旗下株洲電力機車研究所有限公司攻克了第三代軌道交通牽引技術，即永磁同步電機牽引系統(tǒng)，掌握完全自主知識產(chǎn)權，成為中國高鐵制勝市場的一大戰(zhàn)略利器。當前第13頁\共有34頁\編于星期四\8點家電行業(yè)領域由于永磁電機在低運轉(zhuǎn)時效率極高，可以有效的降低頻繁啟動的損耗，是實現(xiàn)家電節(jié)能的較佳技術途徑之一。當前第14頁\共有34頁\編于星期四\8點船舶電力推進領域推進電機是船舶綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分、永磁同步推進電機具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低、易于實現(xiàn)集中遙控、可靠性高、可維護性好等優(yōu)點，是船舶推進電機的理想選擇。當前第15頁\共有34頁\編于星期四\8點3.永磁同步電機的數(shù)學模型3.1在靜止坐標系下的數(shù)學模型電機的數(shù)學模型中含有時變參數(shù)，給分析和計算帶來困難。為了簡化永磁同步電機的數(shù)學模型，首先對電機做如下假設：1）忽略鐵心飽和；2）忽略電機繞組漏感；3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；4）永磁材料的電導率為零；5）不計渦流和磁滯損耗；6)定子相繞組的感應電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。當前第16頁\共有34頁\編于星期四\8點永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣有三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場存在電磁耦合關系。永磁同步電機的定子磁鏈是由定子三相繞組電流和轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生，定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角有關，轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子位置有關，轉(zhuǎn)子永磁極在每相繞組中產(chǎn)生反電勢。當前第17頁\共有34頁\編于星期四\8點三相永磁同步電機在定子靜止三相坐標系下的磁鏈方程為:式中：ΨA、ΨB、ΨC(Psi)——定子三相繞組磁鏈;LAA、LBB、LCC——定子三相繞組自感系數(shù);MXT——定子繞組和繞組的互感系數(shù);Ψf——永磁磁極與定子繞組交鏈的最大磁鏈。定子繞組的自感系數(shù)LAA、LBB、LCC和互感系數(shù)MXT均為θ的函數(shù),且互感系數(shù)滿足關系MAB=MBA、MBC=MCB、MCA=MAC。當前第18頁\共有34頁\編于星期四\8點三相永磁同步電機在定子靜止三相坐標系下的電壓方程為:式中:uA、uB、uC——定子相電壓;r——定子繞組每相電阻;iA、iB、iC——定子相電流。由永磁同步電機的電磁關系可知,其磁鏈方程和電壓方程是一組變系數(shù)微分方程,微分方程的系數(shù)隨著定轉(zhuǎn)子的相對位置變化而變化,是時間的函數(shù)。當前第19頁\共有34頁\編于星期四\8點3.2PMSM在dq0坐標系下的數(shù)學模型二十世紀年代,由采用坐標變換將同步電機定子坐標系下的各個變量等效變換為轉(zhuǎn)子坐標系下的變量,消除了同步電機數(shù)學模型中的時變系數(shù),建立了著名的Park方程,從而為研究和分析永磁同步電機提供了理論基礎。轉(zhuǎn)子磁場定向控制實際上是將dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標系放在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。其d軸與轉(zhuǎn)子的磁場方向重合(定向),q軸逆時針超前d軸90o電角度如圖所示定子ABC坐標系與轉(zhuǎn)子dq0坐標系的關系。圖3-1定子坐標系與轉(zhuǎn)子坐標系的關系當前第20頁\共有34頁\編于星期四\8點ABC坐標系與轉(zhuǎn)子dq0坐標系互換關系如：上述變換關系同樣適用于電流和磁鏈變量變換,對于平衡系統(tǒng),若兩參考坐標系間的輸入功率滿足下述條件:即變換結(jié)果,兩個參考坐標的總功率不變,則由參考坐標計算所得的電磁轉(zhuǎn)矩,就是電動機的實際轉(zhuǎn)矩。當前第21頁\共有34頁\編于星期四\8點在前述假設條件下,進行坐標變換,則可以得到在坐標系下的數(shù)學模型,其中磁鏈、電壓、電磁轉(zhuǎn)矩和機械運動方程如下:

磁鏈方程電壓方程電磁轉(zhuǎn)矩方程機械運動方程上述方程中：Ld、Lq——永磁同步電機定子繞組的直、交軸主電感;id、iq——分別為定子電流矢量的直、交軸分量;p=d/dt——微分算子;ω——電角頻率。最終得到：當前第22頁\共有34頁\編于星期四\8點4.永磁同步電機的控制方式永磁同步電機是強耦合、時變的非線性系統(tǒng)，其控制策略也比較復雜。其控制性能同所采用的控制策略有直接的關系。目前針對永磁同步電機的控制策略主要有轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比(V/f為常數(shù))控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、自適應控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和智能控制等，各有優(yōu)缺點，根據(jù)實際的需要，可以選擇不同的方式來控制電機。1）轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比(V/f)控制開環(huán)恒壓頻比控制保證輸出電壓跟頻率成正比的控制這樣可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。永磁同步電機調(diào)速的關鍵是對其轉(zhuǎn)矩進行控制，開環(huán)恒壓頻比控制只是控制了電機的氣隙磁通，而不能動態(tài)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)矩，所以實際控制性能較差，且負載和速度指令不能突然變化，否則容易造成永磁同步電動的失步，使電動機停止運轉(zhuǎn)，甚至會出現(xiàn)永磁體失磁，損壞電動機。當前第23頁\共有34頁\編于星期四\8點2）直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制基本思想是通過控制定子磁鏈來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制。其特點是不使用坐標變換,不需要將交流電機與直流電機作比較、等效和轉(zhuǎn)換,不需要為解耦而簡化交流電機的數(shù)學模型,只是在定子坐標下分析交流電機的數(shù)學模型,強調(diào)對電機的轉(zhuǎn)矩進行直接控制。其缺點是在低速和帶負載方面性能較差,而且由于它對實時性要求高、計算量大,對控制系統(tǒng)微處理器的性能要求也較高。3）自適應控制在電機控制中，自適應控制包括模型參考自適應控制、參數(shù)辨識自校正控制和非線性自適應控制。自適應控制需要在線獲得控制所需的有關模型和擾動的信息，并不斷地在系統(tǒng)運行中分析這些信息，所以它對模型參數(shù)的依賴性較小，可以克服電機參數(shù)變化對控制精度的影響。其缺點是運算復雜，實時性較差。當前第24頁\共有34頁\編于星期四\8點4）轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式是永磁同步電機使用較為廣泛的一種控制方式其基本原理是通過坐標變換,在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步坐標系上對電機的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流進行解耦控制,使其具有和傳統(tǒng)直流電動機相同的運行性能。矢量控制的提出是交流電機控制發(fā)展的一個里程碑。其基本思想是通過坐標變換，將定子三相繞組電流分解到以轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)子軸系上，分解得到電機的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流。再對電機的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流進行解禍控制，使其具有和傳統(tǒng)直流電機同樣優(yōu)良的運行性能和調(diào)節(jié)性能。其缺點是對控制參數(shù)較敏感，需要復雜的坐標變換等不足。當前第25頁\共有34頁\編于星期四\8點5.PMSM的矢量控制由永磁同步電機在轉(zhuǎn)子坐標系的轉(zhuǎn)矩方程可知,轉(zhuǎn)矩由兩項組成,第一項是由三相旋轉(zhuǎn)磁場和永磁磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,與交軸電流iq成正比;第二項是由凸極效應引起的磁阻轉(zhuǎn)矩,它是由d、q軸同步電感的不同造成的,且與d、q軸電流的乘積成正比。對于嵌入式永磁同步電機,一般Lq>Ld;對于凸裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機,轉(zhuǎn)子磁路對稱Lq=Ld,磁阻轉(zhuǎn)矩為零。當前第26頁\共有34頁\編于星期四\8點在轉(zhuǎn)速為基速以下時,在定子電流給定情況下,控制id=0

,可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,可進一步簡化為:因此當三相合成的電流矢量與d軸的夾角等于90°時可以獲得最大轉(zhuǎn)矩,此時:當前第27頁\共有34頁\編于星期四\8點目前,在永磁交流伺服系統(tǒng)中,id=0矢量控制是主要的控制方式。實現(xiàn)的前提是準確地檢測轉(zhuǎn)子磁極空間位置d軸,通過控制逆變器功率開關器件導通關斷,使定子合成電流位于q軸,此時軸定子電流分量為零,永磁同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)矩電流值,即正比于定子電流幅值,只需控制定子電流大小,就可以很好地控制永磁同步電動機的輸出電磁轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)矢量控制。然而轉(zhuǎn)速在基速以上時,因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數(shù),電動機感應電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速成正比例增加。電動機感應電壓也跟著提高,但是又要受到與電機端相連的逆變器的電壓上限的限制,所以必須進行弱磁升速。通過控制id來控制磁鏈,通過控制iq來控制轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)矢量控制。當前第28頁\共有34頁\編于星期四\8點下圖是永磁同步電機的id=0的矢量控制原理框圖。圖5-1永磁同步電機的矢量控制原理框圖當前第29頁\共有34頁\編于星期四\8點永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)主要由下面幾部分組成:1）轉(zhuǎn)子磁極位置檢測和速度計算模塊;2）速度、電流調(diào)節(jié)器;3）坐標變換模塊;4）SVPWM模塊;5）整流和逆變模塊;6）電流采樣模塊。當前第30頁\共有34頁\編于星期