PMSM和BLDC电机演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,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。,2,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荡的可,能性。,PMSM,和,BLDC,电机的特点,3,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,4,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,5,r,r,g,g,b,b,N,S,A,C,B,Z,Y,X,模拟结构图,PMSM,和,BLDC,电机的结构,6,霍尔传感器,定子绕组,转子磁铁,实物结构图,PMSM,和,BLDC,电机的结构,7,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，,通入三相交流电时，产生旋转磁场。,PMSM,和,BLDC,电机的结构,8,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,9,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,10,（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,11,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,12,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,13,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,：转子角位置,：电机转矩角,14,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,15,永磁同步电动机在 坐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,16,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,17,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,18,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,19,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,20,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),三三通电时合成转矩,21,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,22,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,23,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,24,（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,25,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,26,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,27,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,28,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,29,4、,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,30,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,31,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,32,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,33,两个交流电流 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,PMSM,电机的,FOC,控制策略,34,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,35,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,36,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,37,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,38,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,39,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,40,若 三相负载的定子绕组接成星形，其输出电,压的空间矢量 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,41,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,42,5、,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,43,说明：交轴电流 和转矩是线性关系，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,44,6、,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,45,（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,46,7、,FOC原理图,PMSM,电机的,FOC,控制策略,47,（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,48,（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,49,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,50,谢谢！,51,