永磁同步電機(jī)工作原理

關(guān)于永磁同步電機(jī)工作原理第1頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五PMSM和BLDC電機(jī)的特點優(yōu)點

（1）功率密度大；（2）功率因數(shù)高（氣隙磁場主要或全部由轉(zhuǎn)子磁場提供）；（3）效率高（不需要勵磁，繞組損耗?。?；（4）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，維護(hù)簡單；（5）內(nèi)埋式交直軸電抗不同，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱磁性能較差。第2頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五缺點

（1）價格較高；（2）弱磁能力低；（3）起動困難，高速制動時電勢高，給逆變器帶來一定的風(fēng)險；（4）他控式同步電機(jī)有失步和震蕩的可能性。

PMSM和BLDC電機(jī)的特點第3頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍軟、硬磁盤驅(qū)動器、錄像機(jī)磁鼓（視頻磁頭）和磁帶伺服系統(tǒng)

體積小、容量小、控制精度高機(jī)床、機(jī)器人等數(shù)控系統(tǒng)

快速性好、定位（速度和位置）精度高、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)第4頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五交通運輸

電動自行車、電動汽車、混合動力車、城軌車輛、機(jī)車牽引家用電器

冰箱、空調(diào)等（單位體積功率密度高、體積?。㏄MSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍第5頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五rrggbbNS⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕模擬結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第6頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五

霍爾傳感器定子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵實物結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第7頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五定子

定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第8頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。采用永磁體簡化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機(jī)的效率。

PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第9頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五PMSM按轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)可分為兩種（1）表面貼裝式（SM-PMSM）直交軸電感Ld和Lq相同氣隙較大，弱磁能力小，擴(kuò)速能力受到限制PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第10頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五（2）內(nèi)埋式（IPMSM）交直軸電感:Lq>Ld氣隙較小，有較好的弱磁能力PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第11頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五無刷直流電機(jī)永磁體的弧極為180度，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場呈梯形波分布，線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢亦是交流梯形波定子繞組為Y或聯(lián)結(jié)三相整距繞組由于氣隙較大，故電樞反應(yīng)很小

PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第12頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五正弦波永磁同步電機(jī)永磁體表面設(shè)計成拋物線，極弧大體為

120度定子繞組為短距、分布繞組定子由正弦波脈寬調(diào)制（SVPWM）的電壓型逆變其供電，三相電流為正弦或準(zhǔn)正弦波PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu)第13頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五PMSM的數(shù)學(xué)模型：定子三相靜止坐標(biāo)系：定子兩相靜止坐標(biāo)系：轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系

為了簡化和求解數(shù)學(xué)模型方程，運用坐標(biāo)變換理論,通過對同步電動機(jī)定子三相靜止坐標(biāo)軸系的基本方程進(jìn)行線性變換，實現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦。PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理：定子電壓：定子電流：定子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子角位置：電機(jī)轉(zhuǎn)矩角第14頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五假設(shè)：1)忽略電動機(jī)鐵心的飽和；

2)不計電動機(jī)中的渦流和磁滯損耗；

3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。永磁同步電動機(jī)在三相定子參考坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第15頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五永磁同步電動機(jī)在標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電流：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第16頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五永磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第17頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五每一瞬間有兩個功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次，每次換相一個功率開關(guān)，每個功率開關(guān)導(dǎo)通120度電角度。導(dǎo)通順序為（1）兩兩通電方式PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理BLDC電機(jī)控制方式全控橋兩兩通電電路原理圖第18頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五將三只霍爾集成電路按相位差120度安裝，產(chǎn)生波形如圖所示。PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理

導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩c)兩兩通電時合成轉(zhuǎn)矩Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖第19頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五每一瞬間有三個功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次，每個功率開關(guān)導(dǎo)通180度電角度。導(dǎo)通順序為（2）三三通電方式PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖第20頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五Y聯(lián)結(jié)三三通電方式相電壓和線電壓波形PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖

導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩c)三三通電時合成轉(zhuǎn)矩

第21頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五BLDC電機(jī)穩(wěn)定運行機(jī)械特性方程（3）BLDC電機(jī)運行性能和傳遞函數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；：電源電壓（V）；：功率開關(guān)壓降（V）；：電動勢系數(shù)；：電動機(jī)產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均（N.m）;：轉(zhuǎn)矩系數(shù)；：電動機(jī)的內(nèi)阻（）。PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第22頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五BLDC電機(jī)的動態(tài)特性方程：電動機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；：電動機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩（），（為轉(zhuǎn)動慣量）PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第23頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五BLDC電機(jī)傳遞函數(shù)：電動勢傳遞系數(shù)，：轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，：電磁時間常數(shù)，BLDC電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第24頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五

（1）開環(huán)控制：u/f恒定（2）閉環(huán)控制：矢量控制（70年代）直接轉(zhuǎn)矩控制（80年代）永磁同步電機(jī)控制方式PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理第25頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和實現(xiàn)弱磁控制。FOC中需要測量的量為：定子電流、轉(zhuǎn)子位置角

PMSM電機(jī)的FOC控制策略1、工作原理第26頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五以轉(zhuǎn)子磁場定向系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高控制簡單、具有直流電機(jī)的調(diào)速性能運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小2、FOC特點PMSM電機(jī)的FOC控制策略第27頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五

控制定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場合。電機(jī)運行功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器容量不能充分利用。3、FOC控制方式PMSM電機(jī)的FOC控制策略第28頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五

控制控制交、直軸電流分量，保持PMSM的功率因數(shù)為1，在條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制

也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制策略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)的銅耗。PMSM電機(jī)的FOC控制策略第29頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五4、坐標(biāo)變換（1）Clarke（3s/2s）變換：三相繞組每相繞組匝數(shù)：兩相繞組每相繞組匝數(shù)各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。PMSM電機(jī)的FOC控制策略第30頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在軸上的投影都應(yīng)相等，因此PMSM電機(jī)的FOC控制策略第31頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為坐標(biāo)系變換矩陣：可得PMSM電機(jī)的FOC控制策略第32頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有于是PMSM電機(jī)的FOC控制策略第33頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五兩個交流電流和兩個直流電流，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢

軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量的長短不變。軸與軸的夾角隨時間變化（2）Park（2s/2r）變換PMSM電機(jī)的FOC控制策略第34頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五由圖可見，和之間存在下列關(guān)系坐標(biāo)系變換矩陣：寫成矩陣的形式，得PMSM電機(jī)的FOC控制策略第35頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五由三組六個開關(guān)（）組成。由于與、與、與之間互為反向，即一個接通，另一個斷開，所以三組開關(guān)有種可能的開關(guān)組合PWM逆變器模型（3）電壓空間矢量

PMSM電機(jī)的FOC控制策略第36頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時，該相的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通時，為“0”態(tài)。則8種可能的開關(guān)組合逆變器7種不同的電壓狀態(tài)：電壓狀態(tài)“1”至“6”零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7”

PMSM電機(jī)的FOC控制策略第37頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五逆變器的輸出電壓用空間電壓矢量來表示，依次表示為

逆變器非零電壓矢量輸出時的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系圖電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以6個狀態(tài)為一個周期，相電壓幅值為兩種：和PMSM電機(jī)的FOC控制策略第38頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五把逆變器的7個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi)，形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60o角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形

PMSM電機(jī)的FOC控制策略第39頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五選定定子坐標(biāo)系中的軸與矢量復(fù)平面的實軸重合，則其三相物理量的矢量為：

式中——復(fù)系數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子，旋轉(zhuǎn)空間矢量的某個時刻在某軸線軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。PMSM電機(jī)的FOC控制策略第40頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五若三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量的矢量變換表達(dá)式為

對于狀態(tài)“1”時；可知則PMSM電機(jī)的FOC控制策略第41頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五電壓空間矢量的結(jié)論：

逆變器六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差60度；電壓空間矢量的幅值不變，都等于，因此六個電壓空間矢量的頂點構(gòu)成了正六邊形的六個頂點；六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)；零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。PMSM電機(jī)的FOC控制策略第42頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五5、FOC基本方程SM-PMSM的電壓和磁鏈方程：定子相繞組：定子相繞組電感：定子相繞組互感：轉(zhuǎn)子電角度：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈其中PMSM電機(jī)的FOC控制策略第43頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五說明：交軸電流和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，而直軸電流對轉(zhuǎn)矩沒有影響。如果為電機(jī)額定電流，當(dāng)時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩（）。磁鏈轉(zhuǎn)矩方程PMSM電機(jī)的FOC控制策略第44頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五6、FOC的組成（1）SVPWM模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率；（2）電流讀取模塊。通過精密電阻或電流傳感器測量定子電流；PMSM電機(jī)的FOC控制策略第45頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五（3）轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無傳感器檢測算法進(jìn)行測量；（4）PID控制模塊；（5）Clark、Park及ReversePark變換模塊。PMSM電機(jī)的FOC控制策略第46頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五7、FOC原理圖PMSM電機(jī)的FOC控制策略第47頁，共51頁，2022年，5月20日，5點14分，星期五（1）將電流讀取模塊測量的相電流和，經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系和；（2）和與轉(zhuǎn)子位置結(jié)合