PMSM同步電動機(jī)矢量控制

04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)簡介8.1勵磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型8.2勵磁同步電動機(jī)矢量控制8.3永磁同步電動機(jī)矢量控制8.4同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測8.1.1勵磁同步電動機(jī)的特點8.1.2在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8.1.3在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8.1勵磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型8.1.1勵磁同步電動機(jī)的特點同步電動機(jī)與異步電動機(jī)之間主要差別：（1）定子電源的頻率與同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在著確定的關(guān)系

。（2）同步電動機(jī)可以在任何功率因數(shù)（超前、滯后或者1）下運(yùn)行。（3）勵磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可能為凸極或隱極結(jié)構(gòu)，在分析時不得不采用雙反應(yīng)原理。（4）勵磁同步電動機(jī)電磁關(guān)系變得十分復(fù)雜。04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危圖8-1是凸極勵磁同步電機(jī)的示意圖圖8-1是凸極勵磁同步電機(jī)的示意圖。按照電動機(jī)慣例規(guī)定的正方向，可列出ABC坐標(biāo)系下同步電動機(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)模型下面先對定、轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感進(jìn)行定義：對于理想的凸極同步電動機(jī)，以直軸作為坐標(biāo)原點O時，在距離原點的

電角度處，單位面積的氣隙磁導(dǎo)

可以表示為

04February2023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。（8-5）圖8-2凸極同步電動機(jī)的單位面積氣隙磁導(dǎo)

04February2023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相軸線間的夾角，仿照異步電動機(jī)中自感的定義方法，勵磁凸極同步電動機(jī)三相定子繞組的自感為勵磁凸極同步電動機(jī)三相定子繞組之間的互感為（8-6）（8-7）04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危磁鏈方程

(8-1)04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危04February2023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。勵磁繞組和阻尼繞組的電壓方程為：式中，

為勵磁繞組所加的電壓；阻尼繞組自身為短路，故其端電0；、

、

分別為勵磁繞組和直軸、交軸阻尼繞組的電阻。

(8-11)

(8-12)04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危寫成矩陣形式。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；

為整個電機(jī)的電阻矩陣。（8-13）（8-14）04February2023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和乘機(jī)項，所以它與電流是非線性關(guān)系。同步電動機(jī)運(yùn)動方程與異步電動機(jī)相同。（8-15）04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危8.1.3在dq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dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。變換前和變換后，基波合成磁動勢保持不變，氣隙磁場保持不變，漏磁場也互相等效。磁鏈方程勵磁同步電動機(jī)經(jīng)過等效變換后，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)過等效變換后，電感值為（8-16）（8-17）04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危將dq坐標(biāo)系下的磁鏈方程式代入上面三個式中，則電壓方程變換為從上式可以看出，經(jīng)過等效變換后，當(dāng)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速

等于恒定值，且不計磁飽影響時，在

坐標(biāo)系下的電壓方程可變成線性常系數(shù)微分方程。（8-22）04February2023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機(jī)三相ABC靜止坐標(biāo)系與兩相dq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）8.2.1勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈定向控制8.2.2勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈模型8.2.3勵磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)8.2勵磁同步電動機(jī)矢量控制04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危在同步電動機(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：

優(yōu)點：具有系統(tǒng)簡單和調(diào)速性能高的優(yōu)點。

缺點：隨著同步電動機(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，降低了同步電動機(jī)的使用容量。同時也造成了電動機(jī)功率因數(shù)的下降，這對于同步電動機(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機(jī)均采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制方法，大型勵磁同步電動機(jī)矢量控制均采用氣隙磁鏈定向的控制方法。8.2.1勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈定向控制1.同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩2.同步電動機(jī)氣隙磁鏈3.同步電動機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危1.同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩氣隙磁鏈空間矢量為（8-25）（8-26）（8-27）04February2023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軸分解為兩個分量：通過以上三個式子，可得同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩：（8-28）（8-29）04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危2.同步電動機(jī)氣隙磁鏈（8-30）圖8-3MT坐標(biāo)系同步電機(jī)矢量圖04February2023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MT分量04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危

(8-34)04February2023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，由圖8-3可得

(8-35)(8-36)（8-37)04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危

(8-38)（8-39）04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危

(8-40)圖8-4

分解為MT分量04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危第二種方法：根據(jù)圖8-4，勵磁電流為

(8-41)(8-42)

(8-43)04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危圖8-5隱極同步電動機(jī)電流矢量圖圖8-6凸極同步電動機(jī)電流矢量圖04February2023行勝于言敢為人先和而不同居安思危圖8-7同步電動機(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機(jī)中高速運(yùn)行場合。由于電動機(jī)在低速時，定子電壓較低，且定子電壓降很難得到精確的補(bǔ)償。另外，在電壓模型法中，由于積分的存在，會出現(xiàn)漂移問題。所以應(yīng)用電壓模型法計算氣隙磁鏈不準(zhǔn)確，必須與電流模型法結(jié)合使用。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勵磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖8.3永磁同步電動機(jī)矢量控制（a）正弦波表面式永磁電動機(jī)（SPM）（b）正弦波嵌入式永磁電動機(jī)（IPM）（c）梯形波表面式永磁電動機(jī)圖8-11永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)恒轉(zhuǎn)矩控制永磁同步電動機(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d軸分量，即，即定子電流全部用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動機(jī)的電壓方程可簡化為

（8-67）2.弱磁