永磁同步電機(jī)及轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制

永磁同步電機(jī)及轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制電氣工程王俊鵬目前一頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)的控制方式

PMSM的轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制總結(jié)永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢與應(yīng)用目前二頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)1.永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1永磁同步電機(jī)（PermanentMagneticSynchronousMachine）的結(jié)構(gòu)1）永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置的傳感器。2）定子采用三相對稱繞組結(jié)構(gòu)，它們的軸線在空間彼此相差120度。3）轉(zhuǎn)子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。4）位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。圖1-1定子三相對稱繞組結(jié)構(gòu)目前三頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)1.2永磁同步電機(jī)的工作原理當(dāng)電機(jī)對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉(zhuǎn)子氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為:式中f—電源頻率；p—定子極對數(shù)；轉(zhuǎn)子為永磁體且n與ns相同（同步）；磁場的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極對數(shù)。磁場的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。由于電磁感應(yīng)作用，閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場和定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子（永磁體）“跟著”定子磁場旋轉(zhuǎn)起來，其轉(zhuǎn)速為n。如果能改變定子三相電源的頻率和相位,就可以改變轉(zhuǎn)子的速度和位置。目前四頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)

為了使得永磁同步電動機(jī)具有正弦波感應(yīng)電動勢波形,其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈拋物線狀,使其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布。定子電樞采用短距分布式繞組,能最大限度地消除諧波磁動勢。圖1-2旋轉(zhuǎn)磁動勢波形圖目前五頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)2.永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢與應(yīng)用2.1永磁同步電動機(jī)的優(yōu)勢我國電動機(jī)保有量大，消耗電能大，設(shè)備老化，效率較低。永磁同步電動機(jī)(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數(shù)高、起動力矩大、力能指標(biāo)好、溫升低等特點(diǎn)。目前六頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)優(yōu)勢：（1）效率高、更加省電。由于永磁同步電機(jī)的磁場是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導(dǎo)致的勵磁損耗。永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線相比異步電機(jī)，其在輕載時效率值要高很多，這是永磁同步電機(jī)在節(jié)能方面，相比異步電機(jī)最大的一個優(yōu)勢。由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高，這樣相比異步電機(jī)其電機(jī)電流更小，相應(yīng)地電機(jī)的定子銅耗更小，效率也更高。永磁電機(jī)參數(shù)，不受電機(jī)極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計(jì)成多極電機(jī)，這樣對于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動負(fù)載電機(jī)，可以做成直接用永磁同步電機(jī)驅(qū)動的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。目前七頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)（2）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單靈活。由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子上需要安裝導(dǎo)條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組，大大限制了異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活，如對鐵路牽引電機(jī)，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鋼可直接安裝在機(jī)車輪對的轉(zhuǎn)軸上，從而省去了減速齒輪箱，結(jié)構(gòu)大為簡化。由于永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)不受電機(jī)極數(shù)的限制，便于實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動負(fù)載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機(jī)械傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。（3）可靠性高。從電機(jī)本體來對比，永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)與異步電機(jī)的可靠性相當(dāng)，但由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動負(fù)載，省去可靠性不高的減速箱。在某些負(fù)載條件下甚至可以將電機(jī)設(shè)計(jì)在其驅(qū)動裝置的內(nèi)部，從而可以省去傳統(tǒng)電機(jī)故障率高的軸承，大大提高了傳動系統(tǒng)的可靠性。目前八頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)（4）體積小，功率密度大。永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)體積小，功率密度大的優(yōu)勢，集中體現(xiàn)在驅(qū)動低速大扭矩的負(fù)載時，一個是電機(jī)的極數(shù)的增多，電機(jī)體積可以縮小。電機(jī)效率的增高，相應(yīng)地?fù)p耗降低，電機(jī)溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更??；電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機(jī)內(nèi)許多無效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應(yīng)體積可以更小。（5）起動力矩大、噪音小、溫升低。永磁同步電機(jī)在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時的輸出力矩較異步電機(jī)大，運(yùn)行時的噪音小。轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機(jī)溫升低，同體積、同重量的永磁電機(jī)功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可減少30%。目前九頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)2.2永磁同步電機(jī)的應(yīng)用案例基于永磁同步電機(jī)上述眾多優(yōu)勢，特別在目前國家“節(jié)能減排”的大背景下，其應(yīng)用前景極為廣闊。隨著永磁體及永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的日益成熟可靠，其應(yīng)用范圍基本上可以覆蓋目前應(yīng)用電機(jī)所有領(lǐng)域。目前十頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)電梯領(lǐng)域永磁同步電機(jī)產(chǎn)生較小的諧波噪聲，應(yīng)用于電梯系統(tǒng)中，可以帶來更佳的舒適感。目前十一頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)電動汽車伴隨汽車工業(yè)的急速發(fā)展，環(huán)保問題也越來越嚴(yán)重，為了解決上述問題，并且大幅改善燃油經(jīng)濟(jì)型，毫無疑問就是使用電動汽車。永磁同步電機(jī)以其高效率、高功率因數(shù)和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流電機(jī)之一。目前十二頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)軌道交通領(lǐng)域2007年，阿爾斯通公司研發(fā)的新一代永磁牽引電機(jī)系統(tǒng)的高速AGV列車—V150，創(chuàng)下列車速度世界新紀(jì)錄574.8km/h。2015年6月24日，歷時11年，累計(jì)1000萬次試驗(yàn)，積累150G數(shù)據(jù)，耗資1億元，中國中車旗下株洲電力機(jī)車研究所有限公司攻克了第三代軌道交通牽引技術(shù)，即永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)，掌握完全自主知識產(chǎn)權(quán)，成為中國高鐵制勝市場的一大戰(zhàn)略利器。目前十三頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)家電行業(yè)領(lǐng)域由于永磁電機(jī)在低運(yùn)轉(zhuǎn)時效率極高，可以有效的降低頻繁啟動的損耗，是實(shí)現(xiàn)家電節(jié)能的較佳技術(shù)途徑之一。目前十四頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域推進(jìn)電機(jī)是船舶綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分、永磁同步推進(jìn)電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低、易于實(shí)現(xiàn)集中遙控、可靠性高、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是船舶推進(jìn)電機(jī)的理想選擇。目前十五頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)3.永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型3.1在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中含有時變參數(shù)，給分析和計(jì)算帶來困難。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先對電機(jī)做如下假設(shè)：1）忽略鐵心飽和；2）忽略電機(jī)繞組漏感；3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；4）永磁材料的電導(dǎo)率為零；5）不計(jì)渦流和磁滯損耗；6)定子相繞組的感應(yīng)電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。目前十六頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)永磁同步電機(jī)的定子與普通電勵磁同步電機(jī)的定子一樣有三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場存在電磁耦合關(guān)系。永磁同步電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ尤嗬@組電流和轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生，定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁極在每相繞組中產(chǎn)生反電勢。目前十七頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)三相永磁同步電機(jī)在定子靜止三相坐標(biāo)系下的磁鏈方程為:式中：ΨA、ΨB、ΨC(Psi)——定子三相繞組磁鏈;LAA、LBB、LCC——定子三相繞組自感系數(shù);MXT——定子繞組和繞組的互感系數(shù);Ψf——永磁磁極與定子繞組交鏈的最大磁鏈。定子繞組的自感系數(shù)LAA、LBB、LCC和互感系數(shù)MXT均為θ的函數(shù),且互感系數(shù)滿足關(guān)系MAB=MBA、MBC=MCB、MCA=MAC。目前十八頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)三相永磁同步電機(jī)在定子靜止三相坐標(biāo)系下的電壓方程為:式中:uA、uB、uC——定子相電壓;r——定子繞組每相電阻;iA、iB、iC——定子相電流。由永磁同步電機(jī)的電磁關(guān)系可知,其磁鏈方程和電壓方程是一組變系數(shù)微分方程,微分方程的系數(shù)隨著定轉(zhuǎn)子的相對位置變化而變化,是時間的函數(shù)。目前十九頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)3.2PMSM在dq0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型二十世紀(jì)年代,由采用坐標(biāo)變換將同步電機(jī)定子坐標(biāo)系下的各個變量等效變換為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的變量,消除了同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的時變系數(shù),建立了著名的Park方程,從而為研究和分析永磁同步電機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)子磁場定向控制實(shí)際上是將dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系放在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。其d軸與轉(zhuǎn)子的磁場方向重合(定向),q軸逆時針超前d軸90o電角度如圖所示定子ABC坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子dq0坐標(biāo)系的關(guān)系。圖3-1定子坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的關(guān)系目前二十頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)ABC坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子dq0坐標(biāo)系互換關(guān)系如：上述變換關(guān)系同樣適用于電流和磁鏈變量變換,對于平衡系統(tǒng),若兩參考坐標(biāo)系間的輸入功率滿足下述條件:即變換結(jié)果,兩個參考坐標(biāo)的總功率不變,則由參考坐標(biāo)計(jì)算所得的電磁轉(zhuǎn)矩,就是電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。目前二十一頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)在前述假設(shè)條件下,進(jìn)行坐標(biāo)變換,則可以得到在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,其中磁鏈、電壓、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械運(yùn)動方程如下:

磁鏈方程電壓方程電磁轉(zhuǎn)矩方程機(jī)械運(yùn)動方程上述方程中：Ld、Lq——永磁同步電機(jī)定子繞組的直、交軸主電感;id、iq——分別為定子電流矢量的直、交軸分量;p=d/dt——微分算子;ω——電角頻率。最終得到：目前二十二頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)4.永磁同步電機(jī)的控制方式永磁同步電機(jī)是強(qiáng)耦合、時變的非線性系統(tǒng)，其控制策略也比較復(fù)雜。其控制性能同所采用的控制策略有直接的關(guān)系。目前針對永磁同步電機(jī)的控制策略主要有轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比(V/f為常數(shù))控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制和智能控制等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際的需要，可以選擇不同的方式來控制電機(jī)。1）轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比(V/f)控制開環(huán)恒壓頻比控制保證輸出電壓跟頻率成正比的控制這樣可以使電動機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。永磁同步電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵是對其轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，開環(huán)恒壓頻比控制只是控制了電機(jī)的氣隙磁通，而不能動態(tài)調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)矩，所以實(shí)際控制性能較差，且負(fù)載和速度指令不能突然變化，否則容易造成永磁同步電動的失步，使電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)永磁體失磁，損壞電動機(jī)。目前二十三頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)2）直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制基本思想是通過控制定子磁鏈來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制。其特點(diǎn)是不使用坐標(biāo)變換,不需要將交流電機(jī)與直流電機(jī)作比較、等效和轉(zhuǎn)換,不需要為解耦而簡化交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,只是在定子坐標(biāo)下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,強(qiáng)調(diào)對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。其缺點(diǎn)是在低速和帶負(fù)載方面性能較差,而且由于它對實(shí)時性要求高、計(jì)算量大,對控制系統(tǒng)微處理器的性能要求也較高。3）自適應(yīng)控制在電機(jī)控制中，自適應(yīng)控制包括模型參考自適應(yīng)控制、參數(shù)辨識自校正控制和非線性自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制需要在線獲得控制所需的有關(guān)模型和擾動的信息，并不斷地在系統(tǒng)運(yùn)行中分析這些信息，所以它對模型參數(shù)的依賴性較小，可以克服電機(jī)參數(shù)變化對控制精度的影響。其缺點(diǎn)是運(yùn)算復(fù)雜，實(shí)時性較差。目前二十四頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)4）轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式是永磁同步電機(jī)使用較為廣泛的一種控制方式其基本原理是通過坐標(biāo)變換,在轉(zhuǎn)子磁場定向的同步坐標(biāo)系上對電機(jī)的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦控制,使其具有和傳統(tǒng)直流電動機(jī)相同的運(yùn)行性能。矢量控制的提出是交流電機(jī)控制發(fā)展的一個里程碑。其基本思想是通過坐標(biāo)變換，將定子三相繞組電流分解到以轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)子軸系上，分解得到電機(jī)的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流。再對電機(jī)的磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解禍控制，使其具有和傳統(tǒng)直流電機(jī)同樣優(yōu)良的運(yùn)行性能和調(diào)節(jié)性能。其缺點(diǎn)是對控制參數(shù)較敏感，需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換等不足。目前二十五頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)5.PMSM的矢量控制由永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)矩方程可知,轉(zhuǎn)矩由兩項(xiàng)組成,第一項(xiàng)是由三相旋轉(zhuǎn)磁場和永磁磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,與交軸電流iq成正比;第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩,它是由d、q軸同步電感的不同造成的,且與d、q軸電流的乘積成正比。對于嵌入式永磁同步電機(jī),一般Lq>Ld;對于凸裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī),轉(zhuǎn)子磁路對稱Lq=Ld,磁阻轉(zhuǎn)矩為零。目前二十六頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為基速以下時,在定子電流給定情況下,控制id=0

,可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,可進(jìn)一步簡化為:因此當(dāng)三相合成的電流矢量與d軸的夾角等于90°時可以獲得最大轉(zhuǎn)矩,此時:目前二十七頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)目前,在永磁交流伺服系統(tǒng)中,id=0矢量控制是主要的控制方式。實(shí)現(xiàn)的前提是準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子磁極空間位置d軸,通過控制逆變器功率開關(guān)器件導(dǎo)通關(guān)斷,使定子合成電流位于q軸,此時軸定子電流分量為零,永磁同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)矩電流值,即正比于定子電流幅值,只需控制定子電流大小,就可以很好地控制永磁同步電動機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)矢量控制。然而轉(zhuǎn)速在基速以上時,因?yàn)橛谰么盆F的勵磁磁鏈為常數(shù),電動機(jī)感應(yīng)電動勢隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例增加。電動機(jī)感應(yīng)電壓也跟著提高,但是又要受到與電機(jī)端相連的逆變器的電壓上限的限制,所以必須進(jìn)行弱磁升速。通過控制id來控制磁鏈,通過控制iq來控制轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)矢量控制。目前二十八頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)下圖是永磁同步電機(jī)的id=0的矢量控制原理框圖。圖5-1永磁同步電機(jī)的矢量控制原理框圖目前二十九頁\總數(shù)三十四頁\編于二十一點(diǎn)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)主要由下面幾部分組成:1）轉(zhuǎn)子磁極位置檢測和速度計(jì)算模塊;2）速度、電流調(diào)節(jié)器;3）坐標(biāo)變換模塊;4）SVPWM模塊;5）整流和逆變模塊;6）電流采樣模塊。目前三十頁\總數(shù)三十四頁\編于二