PMSM同步電動(dòng)機(jī)矢量控制課件

1、18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介8.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型8.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制8.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制8.4 同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)8.1.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)8.1.2 在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8.1.3 在d q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型8.1.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)之間主要差別：（1）定子電源的頻率與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在著確定的關(guān)系 。（2）同步電動(dòng)機(jī)可以在任何功率因數(shù)（超前、滯后或者1）下運(yùn)行。（3）勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可能為凸極或隱極結(jié)構(gòu)，在分析時(shí)不得不

2、采用雙反應(yīng)原理。（4）勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)電磁關(guān)系變得十分復(fù)雜。18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危圖8-1 是凸極勵(lì)磁同步電機(jī)的示意圖圖8-1是凸極勵(lì)磁同步電機(jī)的示意圖。按照電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定的正方向，可列出ABC坐標(biāo)系下同步電動(dòng)機(jī)1.磁鏈方程2.電壓方程3.轉(zhuǎn)矩方程。8.1.2 在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型下面先對(duì)定、轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感進(jìn)行定義： 對(duì)于理想的凸極同步電動(dòng)機(jī)，以直軸作為坐標(biāo)原點(diǎn)O時(shí)，在距離原點(diǎn)的 電角度處，單位面積的氣隙磁導(dǎo) 可以表示為 18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危式中， 為氣隙磁導(dǎo)的平均值； 為氣隙磁導(dǎo)的二次諧波幅值。（8-

3、5） 圖8-2 凸極同步電動(dòng)機(jī)的單位面積氣隙磁導(dǎo) 18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危設(shè) 為轉(zhuǎn)子直軸與定子A相軸線(xiàn)間的夾角，仿照異步電動(dòng)機(jī)中自感的定義方法，勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的自感為勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組之間的互感為（8-6） （8-7）18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危磁鏈方程 (8-1)18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危2.電壓方程同步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的電壓方程為：式中 ， 分別為定子各相的端電壓； 為定子每相的電阻。勵(lì)磁繞組

4、和阻尼繞組的電壓方程為：式中， 為勵(lì)磁繞組所加的電壓；阻尼繞組自身為短路，故其端電0； 、 、 分別為勵(lì)磁繞組和直軸、交軸阻尼繞組的電阻。 (8-11) (8-12) 18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危寫(xiě)成矩陣形式。定義微分算子 ，則有或式中， 和 分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓列矩陣； 為整個(gè)電機(jī)的電壓列矩陣； 和 為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻矩陣； 為整個(gè)電機(jī)的電阻矩陣。（8-13） （8-14）18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危3. 轉(zhuǎn)矩方程參照異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的推導(dǎo)方法，得從上式可以看出，由于電磁轉(zhuǎn)矩中包含電流的平方項(xiàng)和乘機(jī)項(xiàng)，所以它與電流是

5、非線(xiàn)性關(guān)系。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程與異步電動(dòng)機(jī)相同。（8-15） 18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危8.1.3 在d q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型根據(jù)坐標(biāo)變換原理，可將靜止的ABC坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變換到旋轉(zhuǎn)的d q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。變換前和變換后，基波合成磁動(dòng)勢(shì)保持不變，氣隙磁場(chǎng)保持不變，漏磁場(chǎng)也互相等效。磁鏈方程 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)等效變換后，定轉(zhuǎn)子在dq坐標(biāo)系下的磁鏈方程為式中， 為直軸同步電感； 為交軸同步電感； 為零軸（或零序）電感。經(jīng)過(guò)等效變換后，電感值為（8-16） （8-17）18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危18 July 202

6、2行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危將d q 坐標(biāo)系下的磁鏈方程式代入上面三個(gè)式中，則電壓方程變換為從上式可以看出，經(jīng)過(guò)等效變換后，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 等于恒定值，且不計(jì)磁飽影響時(shí)，在 坐標(biāo)系下的電壓方程可變成線(xiàn)性常系數(shù)微分方程。（8-22）18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危3.電磁轉(zhuǎn)矩方程利用交流電動(dòng)機(jī)三相ABC靜止坐標(biāo)系與兩相d q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換公式,按照等功率變換原則，電流 、 、 與 、 、 之間的變換關(guān)系為將上式中的 、 、 用 、 、 代替，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為（8-23） （8-24）

7、8.2.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈定向控制8.2.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈模型8.2.3 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)8.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危在同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，常用氣隙磁鏈定向和轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方法。轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單和調(diào)速性能高的優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：隨著同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的增加，定子電流增大，電樞反應(yīng)增強(qiáng)，氣隙磁鏈增加，導(dǎo)致定子電壓大幅度升高，降低了同步電動(dòng)機(jī)的使用容量。同時(shí)也造成了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的下降，這對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。 因此，中小容量的永磁同步電動(dòng)機(jī)均采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制

8、方法，大型勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制均采用氣隙磁鏈定向的控制方法。8.2.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈定向控制1. 同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩2. 同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈3. 同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危1. 同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈空間矢量為（8-25）（8-26）（8-27）18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危定子電流空間矢量也沿M、T軸分解為兩個(gè)分量：通過(guò)以上三個(gè)式子，可得同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩：（8-28） （8-29） 18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危2. 同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈（8-

9、30）圖8-3 M T坐標(biāo)系同步電機(jī)矢量圖18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危（8-31） （8-32） （8-33)圖8-4 分解為M T分量18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 (8-34)18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危當(dāng)忽略定子電阻時(shí)，由圖8-3可得 (8-35)(8-36)（8-37)18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 (8-38) （8-39）18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 (8-40)圖8-4 分解為M T分量18 July 2022行勝于

10、言 敢為人先 和而不同 居安思危第二種方法： 根據(jù)圖8-4，勵(lì)磁電流為 (8-41)(8-42) (8-43)18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危圖8-5 隱極同步電動(dòng)機(jī)電流矢量圖圖8-6 凸極同步電動(dòng)機(jī)電流矢量圖 18 July 2022行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危圖8-7 同步電動(dòng)機(jī)電壓模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框圖電壓模型法適用于同步電動(dòng)機(jī)中高速運(yùn)行場(chǎng)合。由于電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，定子電壓較低，且定子電壓降很難得到精確的補(bǔ)償。另外，在電壓模型法

11、中，由于積分的存在，會(huì)出現(xiàn)漂移問(wèn)題。所以應(yīng)用電壓模型法計(jì)算氣隙磁鏈不準(zhǔn)確，必須與電流模型法結(jié)合使用。THANK YOUSUCCESS2022/7/1843可編輯圖8-9 基于電流反饋值的電流模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框圖 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)氣隙磁鏈控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制系統(tǒng)功率因數(shù)控制電壓模型法與電流模型法的切換圖8-10 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖8.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制（a）正弦波表面式永磁電動(dòng)機(jī)（SPM）（b）正弦波嵌入式永磁電動(dòng)機(jī) （IPM）（c）梯形波表面式永磁電動(dòng)機(jī)圖8-11 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)恒轉(zhuǎn)矩控制永磁同步電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量圖如圖8-12所示。圖8-12 在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁鏈 定向的矢量圖在圖8-12中，定子電流空間矢量 位于q軸上，無(wú)d軸分量，即 ，即定子電流全部用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程可簡(jiǎn)化為 （8-67）2. 弱磁控制永磁同步電動(dòng)機(jī)在弱磁區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量圖如圖8-13所示。圖8-