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1、内容提要,PMSM和BLDC电机的特点PMSM和BLDC电机的应用范围PMSM和BLDC电机的结构PMSM和BLDC电机的工作原理PMSM和BLDC电机的控制策略PMSM电机的FOC控制策略,PMSM和BLDC电机的特点,优点,（1）功率密度大；（2）功率因数高（气隙磁场主要或全部由转 子磁场提供）；（3）效率高（不需要励磁，绕组损耗小）；（4）结构紧凑、体积小、重量轻，维护简 单；（5）内埋式交直轴电抗不同，产生结构转 矩，弱磁性能好，表面贴装式弱磁性 能较差。,缺点,（1）价格较高；（2）弱磁能力低；（3）起动困难，高速制动时电势高，给 逆变器带来一定的风险；（4）他控式同步电机有失步和震
2、荡的可 能性。,PMSM和BLDC电机的特点,PMSM和BLDC电机的应用范围,软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓（视频磁头）和磁带伺服系统,体积小、容量小、控制精度高,机床、机器人等数控系统,快速性好、定位（速度和位置）精度高、起动转矩大、过载能力强,交通运输,电动自行车、电动汽车、混合动力车、城轨车辆、机车牵引,家用电器,冰箱、空调等（单位体积功率密度高、体积小）,PMSM和BLDC电机的应用范围,模拟结构图,PMSM和BLDC电机的结构,实物结构图,PMSM和BLDC电机的结构,定子,定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差120度电角度
3、，通入三相交流电时，产生旋转磁场。,PMSM和BLDC电机的结构,转子,转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。,PMSM和BLDC电机的结构,PMSM按转子永磁体的结构可分为两种,（1）表面贴装式（SM-PMSM）,直交轴电感Ld和Lq相同气隙较大，弱磁能力小，扩速能力受到限制,PMSM和BLDC电机的结构,（2）内埋式（IPMSM）,交直轴电感:LqLd气隙较小，有较好的弱磁能力,PMSM和BLDC电机的结构,无刷直流电机,永磁体的弧极为180度，永磁体产生的气 隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动 势亦是交
4、流梯形波定子绕组为Y或 联结三相整距绕组由于气隙较大，故电枢反应很小,PMSM和BLDC电机的结构,正弦波永磁同步电机,永磁体表面设计成抛物线，极弧大体为 120度定子绕组为短距、分布绕组定子由正弦波脉宽调制（SVPWM）的电压型逆变其供电，三相电流为正弦或准正弦波,PMSM和BLDC电机的结构,PMSM的数学模型,：定子三相静止坐标系：定子两相静止坐标系：转子两相坐标系,为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进 行线性变换，实现电机数学模型的解耦。,PMSM和BLDC电机的工作原理,：定子电压：定子电流：定子磁链矢量：转子磁链矢量：转子角
5、位置：电机转矩角,假设：1)忽略电动机铁心的饱和；2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；3)转子无阻尼绕组。永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学模型可以表达如下：,定子电压：定子磁链：电磁转矩：,PMSM和BLDC电机的工作原理,永磁同步电动机在 标系中的数学模型可以表达如下：,定子电流：定子磁链：电磁转矩：,PMSM和BLDC电机的工作原理,永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模型可以表达如下：,定子电压：定子磁链：电磁转矩：,PMSM和BLDC电机的工作原理,每一瞬间有两个功率开关导通，每隔60度换相一次，每次换相一个功率开关，每个功率开关导通120度电角度。导通顺序为,（1）两
6、两通电方式,PMSM和BLDC电机的工作原理,BLDC电机控制方式,全控桥两两通电电路原理图,将三只霍尔集成电路按相位差120度安装，产生波形如图所示。,PMSM和BLDC电机的工作原理,导通时合成转矩 导通是合成转矩c)两两通电时合成转矩,Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图,每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相一次，每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为,（2）三三通电方式,PMSM和BLDC电机的工作原理,Y联结三三通电方式的控制原理图,Y联结三三通电方式相电压和线电压波形,PMSM和BLDC电机的工作原理,三三通电时的合成转矩矢量图,导通时合成转矩 导通是合成转矩c)三三通电
7、时合成转矩,BLDC电机稳定运行机械特性方程,（3）BLDC电机运行性能和传递函数,：电机转速（r/min）；：电源电压（V）；：功率开关压降（V）；：电动势系数；：电动机产生的电动转矩平均（N.m）;：转矩系数；：电动机的内阻（）。,PMSM和BLDC电机的工作原理,BLDC电机的动态特性方程,：电动机负载阻转矩；：电动机转子飞轮力矩（），（为转动惯量）,PMSM和BLDC电机的工作原理,BLDC电机传递函数,：电动势传递系数，：转矩传递系数，：电磁时间常数，,BLDC电动机动态结构图,PMSM和BLDC电机的工作原理,（1）开环控制：u/f恒定（2）闭环控制：,矢量控制（70年代）直接转矩
8、控制（80年代）,永磁同步电机控制方式,PMSM和BLDC电机的工作原理,定子电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐标系上的电流 和，从而调节转矩 和实现弱磁控制。FOC中需要测量的量为：定子电流、转子位置角,PMSM电机的FOC控制策略,1、工作原理,以转子磁场定向系统动态性能好，控制精度高控制简单、具有直流电机的调速性能运行平稳、转矩脉动很小,2、FOC特点,PMSM电机的FOC控制策略,控制 定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器
9、人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器容量不能充分利用。,3、FOC控制方式,PMSM电机的FOC控制策略,控制 控制交、直轴电流分量，保持PMSM的功率因数为1，在 条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈现先增加后减小的趋势。可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出的最大转矩较小。最大转矩/电流比控制 也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控制）。它是凸极PMSM用的较多的一种电流控制策略。当输出转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的铜耗。,PMSM电机的FOC控制策略,4、坐标变换,（1）Clarke（3s/2s）变换,：三相绕组每相绕组匝数：两相绕组每相绕组匝数,各相
10、磁动势为有效匝数与电流的乘积，其相关空间矢量均位于有关相的坐标轴上。,PMSM电机的FOC控制策略,设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 轴上的投影都应相等，因此,PMSM电机的FOC控制策略,考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为,坐标系变换矩阵：,可得,PMSM电机的FOC控制策略,如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有,于是,PMSM电机的FOC控制策略,两个交流电流 和两个直流电流，产生同样的以同步转速 旋转的合成磁动势,轴和矢量 都以转速 旋转，分量 的长短不变。轴与 轴的夹角 随时间变化,（2）Park（2s/2r）变换,PM
11、SM电机的FOC控制策略,由图可见，和 之间存在下列关系,坐标系变换矩阵：,写成矩阵的形式，得,PMSM电机的FOC控制策略,由三组六个开关（）组成。由于 与、与、与 之间互为反向，即一个接通，另一个断开，所以三组开关有 种可能的开关组合,PWM逆变器模型,（3）电压空间矢量,PMSM电机的FOC控制策略,若规定三相负载的某一相与“+”极接通时，该相的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通时，为“0”态。则8种可能的开关组合,逆变器7种不同的电压状态：电压状态“1”至“6”零电压关状态“0”和“7”,PMSM电机的FOC控制策略,逆变器的输出电压 用空间电压矢量来表示，依次表示为,逆变器非零
12、电压矢量输出时的相电压波形、幅值和电压状态的对应关系图 电压状态和开关状态均以6个状态为一个周期，相电压幅值为两种：和,PMSM电机的FOC控制策略,把逆变器的7个输出电压状态放入空间平面内，形成7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔60角度，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形,PMSM电机的FOC控制策略,选定定子坐标系中的 轴与 矢量复平面的实轴 重合，则其三相物理量 的 矢量 为：,式中 复系数，旋转因子，旋转空间矢量 的某个时刻在某轴线 轴上的投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。,PMSM电机的FOC控制策略,若 三相负载的定子绕组接成星形，其输出电压的空间矢
13、量 的 矢量变换表达式为,对于状态“1”时；可知,则,PMSM电机的FOC控制策略,电压空间矢量的结论：,逆变器六个工作电压状态给出了六个不同方向的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差60度；电压空间矢量的幅值不变，都等于，因此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的六个顶点；六个电压空间矢量的顺序如下，它们依次沿逆时针方向旋转；零电压状态7位于六边形中心。,PMSM电机的FOC控制策略,5、FOC基本方程,SM-PMSM的电压和磁链方程,：定子相绕组：定子相绕组电感：定子相绕组互感：转子电角度：转子永磁磁链,其中,PMSM电机的FOC控制策略,说明：交轴电流 和转矩是线性关
14、系，而直轴电流 对转矩没有影响。如果 为电机额定电流，当 时产 生最大转矩（）。,磁链转矩方程,PMSM电机的FOC控制策略,6、FOC的组成,（1）SVPWM模块。采用先进的调制算法以 减少电流谐波、提高直流母线电压 利用率；（2）电流读取模块。通过精密电阻或电 流传感器测量定子电流；,PMSM电机的FOC控制策略,（3）转子速度/位置反馈模块。采用霍尔 传感器或增量式光电编码器来准确 获取转子位置和角速度信息，也可 采用无传感器检测算法进行测量；（4）PID控制模块；（5）Clark、Park及Reverse Park变换模 块。,PMSM电机的FOC控制策略,7、FOC原理图,PMSM电
15、机的FOC控制策略,（1）将电流读取模块测量的相电流 和，经过Clark变换将其从三相静止坐标系变 换到两相静止坐标系 和；（2）和 与转子位置 结合，经过Park变换 从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系 和；（3）转子速度/位置反馈模块将测量的转子角 速度 与参考转速 进行比较，并通过PI 调节器产生交轴参考电流；,PMSM电机的FOC控制策略,（4）交、直轴参考电流 与实际反馈的交、直轴电流 进行比较，取直轴参考电流 为0。再经过PI调节器，转化为电压 和；（5）电压 和 与检测到的转子角位置 相结 合进行反Park变换，变换为两相静止坐标 系的电压 和；（6）电压 和 经过SVPWM模块调制为六路开 关信号从而控制三相逆变器的开通与关 断。,PMSM电机的FOC控制策略,当 变化时，与 产生偏差，经PI调节器输出设定值,和实际交轴电流 比较，得到偏差，用来调节实际交轴电流；如果直轴电流 不为0，因为直轴电流给定值为0，产生直轴电流偏差；以上两个偏差电流 和 经过PI调节器及反Park变换后为SVPWM调制算法提供两相电压，从而进一步调节电压空间矢量，并通过逆变器来调节电机的转速，然后重复上述过程，实现了转速和电流的双闭环控制系统。,PMSM电机的FOC控制策略,谢谢！,
