永磁同步电机及其控制策略.ppt

永磁同步电机（PMSM）汇报人：刘垚甫目录：1.PMSM的结构与工作原理2.PMSM的数学模型3.PMSM的控制策略1.PMSM的结构与工作原理模拟结构图rrggbbNSACBZYX1.PMSM的结构与工作原理实物结构图1.PMSM的结构与工作原理转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼为永磁材料采用永磁体简化电机的结构，提高可靠性，没有转子铜耗，能提高电机效率分类表面式（表贴式、插入式）内置式（径向式、切向式和混合式）1.PMSM的结构与工作原理优缺点表面式（表贴式、插入式） 无凸极效应和磁阻转矩，电枢反应比较小，弱磁能力较差，其恒功率弱磁运行范围通常较小制造工艺简单、成本低，应用较广泛内置式（径向式、切向式和混合式） 有效气隙较小，d轴和q轴的电枢反应电抗较大，从而存在较大的弱磁升速空间，结构和工艺复杂，成本高1.PMSM的结构与工作原理定子 一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组三相绕组沿定子铁芯对称分布，在空间上互差120电角度，通入三相互差120相位角的交流电时产生旋转磁场公式推导1.PMSM的结构与工作原理旋转磁场 永磁体转速与旋转磁场转速相同（同步）2.PMSM的数学模型三相静止坐标系下的数学模型 式中，uA、uB、uC为三相定子电压，iA、iB、iC为三相定子电流，eA、eB、eC为永磁体磁场在三相电枢绕组中感应的旋转电动势。

M为绕组间互感；R为定子绕组电阻；L为定子绕组自感；P为微积分因数，P=d/dt定子电压方程2.PMSM的数学模型三相静止坐标系下的数学模型 式中MAB，MBC，MAC，MCC，MBA，MCA为三相绕组互感，A、B、C分别为三相绕组磁通量，iA、iB、iC分别为三相绕组相电流，fA、fB、fC分别为转子永磁磁链在各相绕组中的投影；LAA、LBB、LCC分别为每项绕组自感定子磁链方程2.PMSM的数学模型三相静止坐标系下的数学模型式中f为转子与三相绕组交链的永磁体磁链的幅值，Te为电磁转矩，p为极对数定子电磁转矩方程电磁转矩Te可以用电枢绕组交链的永磁体磁链与电枢绕组电流的乘积之和来表示2.PMSM的数学模型坐标变换（Clark、Park变换）ABC0isOiqreredreqidClark变换Park变换2.PMSM的数学模型三相静止坐标系下的数学模型式中，id、iq为d、q轴电枢电流；Ld、Lq为电枢绕组d、q轴的电感，f为永磁体产生的磁链定子磁链方程定子电压方程r：转子角频率；id 、iq 、ud 、uq ：d-q绕组等效电流和等效电压；Ld、Lq :d-q绕组等效电感定子电磁转矩方程p：极对数3.PMSM的控制策略直接转矩控制V/f开环控制（恒压频比控制） 随着供电频率的上升，供电电压也随着上升，并保持供电电压与供电频率的比值不变。

控制算法简单、硬件成本低廉，但无法精确控制转速或电磁转矩，系统性能一般，动态响应较差，负载突变时容易产生失步和振荡 采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点但理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大3.PMSM的控制策略矢量控制（磁场定向控制） 矢量控制（vector control）也称为磁场定向控制（field-oriented control，简称FOC），是一种利用变频器（VFD）控制三相交流电机的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电机的输出其特性是可以分别控制电机的磁场及转矩，类似他激式直流电机的特性由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制3.PMSM的控制策略磁场定向控制（FOC）3.PMSM的控制策略SVPWM和三相逆变电路U0(100)U180(011)U120(010)U240(001)U300(101)U60(110)O111(111)O000(000)SVPWM的基本思想:是根据在对三相定子对称电动机输入三相对称正弦电压时的理想磁链圆为基准,三相逆变器采用不同开关的模式使得到实际磁链矢量跟踪基准磁链圆。

在此过程中,适当切换逆变器的开关模式,形成PWM波3.PMSM的控制策略磁场定向控制（FOC）3.PMSM的控制策略电流采样3.PMSM的控制策略三电阻采样每次需要采集两个电流，采集哪两个电流由SVPWM当前扇区决定每次只有在下桥臂打开的时候才能进行采样3.PMSM的控制策略双电阻采样在U相和V相的下桥分别串联一个功率电阻，通过一个运放电路连接至A/D采样时机放在PWM的下溢中断进行，U V两相电阻上的电流即为电机U V相的线电流3.PMSM的控制策略单电阻采样采用单电阻方式采样，在一组7段矢量的时间内，根据不同的开关顺序，进行多次采样相比双电阻方案，采样次数较多，消耗的CPU资源较多，需要考虑死区对各个采样窗的影响，还有各采样窗口有最小宽度限制，处理算法相对比较麻烦3.PMSM的控制策略磁场定向控制（FOC）3.PMSM的控制策略转子位置速度检测（有感）旋转变压器检测技术性能上可靠性高，有较强的抵抗外界恶劣环境的能力，但需要设计复杂的信号处理电路这些信号处理电路的可靠性和精度对转子位置检测有很大影响，并且造价昂贵导致成本增加，限制了旋转变压器的应用范围旋转变压器式是一种测量角度用的小型交流电动机，由定子和转子组成。

输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，将其相除得到该角度的正切值，最终通过“反正切”函数求出角度值3.PMSM的控制策略转子位置速度检测（有感）光电编码器检测技术光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置构成，在伺服系统中，光栅盘与电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据该信号的每秒脉冲数变可计算当前电动机的转速增量式编码器：构造简单，可靠性高，但无法输出绝对位置信息绝对式编码器：可直接输出位置对应的数字量，但结构复杂，成本较高3.PMSM的控制策略转子位置速度检测（无感）反电动势检测技术龙伯格（Luenberger）观测器是由龙伯格与卡尔曼及布西(Bucy)等人所提出的解决动态系统控制率问题的一种方法，建立状态向量的一个估计值的技术，确定状态向量的一个适当近似值并把这个值代入理想的控制律龙伯格观测器法适用于其中可用测量结果受噪声污染不太严重的情况，并且产生阶数比被观测系统的阶数低的一个动态系统预估反电动势：预估转角：预估转速：3.PMSM的控制策略转子位置速度检测（无感）高频信号注入检测技术 通过向电机内部注入一个高频信号,然后根据其不对称性所产生的凸极效应,对应检测出注入信号的响应来获得转子的速度和位置信息。

旋转高频信号注入法适合于凸极性比较大的电机;而脉动高频信号注入法主要应用于凸极性不明显的电机面贴式永磁同步电机是隐极性的,脉振高频电压信号注入法产生凸极效应的具体方法是向d轴注入一个高频电压信号,产生的交变磁场沿着d轴和励磁磁场叠加,从而改变励磁磁路的饱和程度,使励磁磁路具有了凸极性,而通过改变这个高频信号的幅值即可改变电机主磁路的饱和程度,从而使面贴式PMSM具有一定的凸极效果谢谢观看！。