永磁电机矢量控制技术与应用-PPT课件.ppt

1、1主主 要要 内内 容容一、矢量控制基础一、矢量控制基础 由来、趋势、矢量含义、坐标变换、基本思想由来、趋势、矢量含义、坐标变换、基本思想二、永磁电机动态数学模型与基本控制方法二、永磁电机动态数学模型与基本控制方法 假定条件与状态方程、基本特性、控制方法假定条件与状态方程、基本特性、控制方法三、永磁电机矢量控制系统与分析三、永磁电机矢量控制系统与分析 系统框图、各部分说明系统框图、各部分说明四、永磁电机矢量控制系统在电动汽车中的应用四、永磁电机矢量控制系统在电动汽车中的应用2矢量控制基础矢量控制基础矢量控制技术的由来矢量控制技术的由来 交流变频技术发展过程按其控制方式可分为四代：交流变频技术发

2、展过程按其控制方式可分为四代： 第第1代代V/f恒定和正弦脉宽调制恒定和正弦脉宽调制(SPWM)控制控制 第第2代代电压空间矢量控制电压空间矢量控制(又称又称SVPWM、磁通轨迹法、磁通轨迹法) 第第3代代矢量控制矢量控制 第第4代代直接转矩控制直接转矩控制 矢量控制硬件基础：矢量控制硬件基础：20世纪世纪60年代起，微处理器、大规模集成电路等微年代起，微处理器、大规模集成电路等微电子技术、快速电力半导体变流装置迅速发展；电子技术、快速电力半导体变流装置迅速发展； 矢量控制理论基础：矢量控制理论基础：20世纪世纪70年代初期两项突破性研究成果：年代初期两项突破性研究成果： 德国西门子德国西门子

3、FBiaschke等提出的等提出的“感应电机磁场定向的控制原理感应电机磁场定向的控制原理”； 美围美围P.CCustman等申请专利等申请专利“感应电机定子电压的坐标变换控制感应电机定子电压的坐标变换控制”；3 高压大容量矢量控制变换装置的研制：多电平，高压大容量矢量控制变换装置的研制：多电平，10MVA 数字电流控制系统的高速化；数字电流控制系统的高速化； 电机的非线性补偿：参数饱和，铁耗估算与补偿电机的非线性补偿：参数饱和，铁耗估算与补偿 最大效率控制；最大效率控制； 调速范围拓展；调速范围拓展； 参数的在线检测；参数的在线检测； 无位置传感器的矢量控制速度观测：无位置传感器的矢量控制速度

4、观测：MRAS矢量控制基础矢量控制基础永磁电机控制技术的发展方向永磁电机控制技术的发展方向4240sin120sinsin111tIitIitIimSCmSBmSA)(322SCSBSASiiiI 永磁电机定子绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时永磁电机定子绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示空间向量表示。矢量指得是定子电压、电流、磁链等空间矢量，该类矢量通过三空间向量表示。矢量指得是定子电压、电流、磁链等空间矢量，该类

5、矢量通过三相定子变量合成得到。相定子变量合成得到。120sin120cosj矢量控制基础矢量控制基础矢量的基本含义矢量的基本含义为旋转因子，为旋转因子，52121212323021211ABCT三相三相/2相变换：根据变换前后功率不相变换：根据变换前后功率不变的约束条件，以定子电流为例：变的约束条件，以定子电流为例：CBAABCCBAiiiTiiiiii322121212323021211320SSSjiiI矢量控制基础矢量控制基础坐标变换坐标变换6旋转变换：根据变换前后功率不变的旋转变换：根据变换前后功率不变的约束条件，以定子电流为例：约束条件，以定子电流为例：0001000sincos0c

6、ossinuuuTiiiiiidqqd1000sincos0cossindqTSqSdSjiiI矢量控制基础矢量控制基础坐标变换坐标变换7矢量控制基础矢量控制基础图解各变量之间关系图解各变量之间关系ABCTSAidqTSBiSCiSdiSqiSiSiSiSiSdiSqiSAi8 矢量控制是一种高性能交流电机控制方式，它基于交流电机矢量控制是一种高性能交流电机控制方式，它基于交流电机的动态数学模型，通过对电机定子变量（电压、电流、磁链）进的动态数学模型，通过对电机定子变量（电压、电流、磁链）进行三相行三相/2相坐标变换，将三相正交的交流量变换为两相正交的交相坐标变换，将三相正交的交流量变换为两相

7、正交的交流量，再通过旋转变换，将两相正交的交流量变换为两相正交的流量，再通过旋转变换，将两相正交的交流量变换为两相正交的直流量，采用类似于他激直流电机的控制方法，分别控制电机的直流量，采用类似于他激直流电机的控制方法，分别控制电机的转矩电流和励磁电流来控制电机转矩和磁链，具有直流电动机类转矩电流和励磁电流来控制电机转矩和磁链，具有直流电动机类似的控制性能。似的控制性能。矢量控制基础矢量控制基础矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想9永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法假定条件与状态方程假定条件与状态方程 以三相两极永磁无刷电机为以三相两极永磁无刷电机为例，分析永磁

8、无刷电机的一般化例，分析永磁无刷电机的一般化数学模型，并作如下假设：数学模型，并作如下假设：（1）定子绕组）定子绕组Y形接法，三相绕形接法，三相绕组对称分布，各绕组轴线在空间组对称分布，各绕组轴线在空间互差互差120；（2）忽略定子铁心和转子铁心）忽略定子铁心和转子铁心的涡流损耗和磁滞损耗；的涡流损耗和磁滞损耗；（3）采用饱和参数近似计算磁）采用饱和参数近似计算磁路饱和效应的影响；路饱和效应的影响；（4）定子绕组参数不随温度和）定子绕组参数不随温度和频率变化。频率变化。10定子电压方程矩阵形式：定子电压方程矩阵形式： tIiRusssd,d mCmBmACBACCCBCABCBBBAACABA

9、AsCsBsAiiiILIMIMIMILIMIMIMILIII,1202cos1202cos2cos210210210LLLLLLLLLLLLCCBBAA1502cos902cos302cos210210210MMMMMMMMMMMMMMMCAACCAACCAAC永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法假定条件与状态方程假定条件与状态方程11 能量法：永磁无刷电机运行时，当外电源注入电机的电流恒定能量法：永磁无刷电机运行时，当外电源注入电机的电流恒定，电机的轴输出功率和定子磁场中能量的增量分别等于外电源注，电机的轴输出功率和定子磁场中能量的增量分别等于外电源注入电机

10、的净功率的一半：入电机的净功率的一半： mTssTsmechiiLiW2121 虚位移原理：保持三相定子电流不变时，采用电角度虚位移原理：保持三相定子电流不变时，采用电角度 代替广代替广义位移义位移 时，广义力便为电机的轴输出电磁转矩时，广义力便为电机的轴输出电磁转矩 ：g dd212122mTssTspconstimechpmiiLinWnTs永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法假定条件与状态方程假定条件与状态方程12 对永磁电机数学模型作对永磁电机数学模型作进一步假设：进一步假设：（1）忽略定子绕组漏磁链互）忽略定子绕组漏磁链互感；感；（2）定子绕组相漏感和

11、互感）定子绕组相漏感和互感随着电机转子位置的变化呈随着电机转子位置的变化呈正弦变化规律；正弦变化规律；（3）定子电流为对称的正弦）定子电流为对称的正弦波电流；定子空载反电动势波电流；定子空载反电动势为正弦波波形；为正弦波波形；（4）电机定子绕组的）电机定子绕组的A相绕相绕组轴线组轴线As作为转子零位置。作为转子零位置。tiiitIILiiitLiiitLiiitLLLLLLLLLLLLiiiRRRuuumCBACBACBACBACBACBAdd120cos120coscosdddd1202cos1502cos902cos1502cos1202cos302cos902cos302cos2cosd

12、d1202sin1502sin902sin1502sin1202sin302sin902sin302sin2sin2dd1202cos1502cos902cos1502cos1202cos302cos902cos302cos2cosdd212121212121222101111011110111永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法假定条件与状态方程假定条件与状态方程13经坐标变换，得到：经坐标变换，得到：000000dddd23000dddd23dd000001010000023000230000010100002300023dd0002300023022002

13、200101000101001110meqdqdqdeqdeqdqdqdiiitIILtIILiiitiiiLLiiiLLLLLiiitLLLLLiiiRRRuuu永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法假定条件与状态方程假定条件与状态方程14直轴电感：直轴电感： 交轴电感：交轴电感：21021023232323LLLLLLLLqd10dddddddddd0011meqdqdqdqdedqqdqdqdqdiitIILLtIILLiiLLiitLLiiRRuuqdqdqmpmiiLLinT232电压方程：电压方程：转矩方程：转矩方程：永磁电机动态数学模型简化为：永磁电

14、机动态数学模型简化为：定义：定义：永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法假定条件与状态方程假定条件与状态方程15Ld=Lq：LdLq：电流极限圆电流极限圆电压极限椭圆电压极限椭圆恒转矩曲线恒转矩曲线永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法基本特性基本特性16 Id=0Id=0控制控制 最大转矩最大转矩/ /电流比控制电流比控制 恒功率弱磁控制恒功率弱磁控制 最大功率控制最大功率控制永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法基本控制方法基本控制方法17 1、Id=0控制：控制：smemipT22limmaxmqe

15、mmLTpu永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法基本控制方法基本控制方法182 2、最大转矩、最大转矩/ /电流比控制：电流比控制：0qsemdsemiiTiiT22lim22224dqqdqqdmmdiiiLLiLLiqdqmqdmqbLLCLCLLiLpu168222limlim)8(2lim22iLLCqdmm永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法基本控制方法基本控制方法193、恒功率弱磁控制：、恒功率弱磁控制：22lim222limdqdqqdedmdiiiLiLLuLi222limmddqqiLiLu22max)()(1q

16、qddmsnbILILUp永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法基本控制方法基本控制方法204、最大功率控制：、最大功率控制：01diPddmdqddqiLiLiLui22limdmmdLui14182lim22永磁电机动态数学模型与基本控制方法永磁电机动态数学模型与基本控制方法基本控制方法基本控制方法21经典永磁电机矢量控制系统（经典永磁电机矢量控制系统（SPM电机）电机）永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析系统框图系统框图22经典永磁电机矢量控制系统（经典永磁电机矢量控制系统（IPM电机）电机）永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分

17、析系统框图系统框图23电压补偿式永磁电机矢量控制系统（电压补偿式永磁电机矢量控制系统（IPM电机）电机）永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析系统框图系统框图24永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析系统框图系统框图25dUdC61 TT61 DD为直流电源（为直流电源（V V）；）；为中间直流回路支撑为中间直流回路支撑（滤波）电容（滤波）电容（F F）；）； 为为6 6个功率开关管；个功率开关管；为为6 6个续流二极管；个续流二极管；qdqdqmpmiiLLinT232电压方程：电压方程：转矩方程：转矩方程：)(mddrqqqqqqrddddiLpiLiRuiLp

18、iLiRu永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析三相逆变器与永磁电机系统三相逆变器与永磁电机系统26永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析旋转变压器旋转变压器272132sin32cos2132sin32cos21sincos32dqABCT21212132sin32sinsin32cos32coscos32ABCdqT永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析坐标变换坐标变换28电机输出特性需求电机输出特性需求恒转矩区域恒转矩区域恒功率区域恒功率区域永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析电流控制参数电流控制参数29mddqqqqqqdddd

19、iLipLiRuiLipLiRu11mddqqqdiLuiLu*qqqddduuuuuu永磁电机电压方程：永磁电机电压方程：电压解耦控制环节：电压解耦控制环节：控制电压量：控制电压量：永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析电压前馈控制电压前馈控制30永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析电流电流PIPI调解器调解器一般式：一般式：抗饱和式：抗饱和式：31永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析SVPWMSVPWM（1 1）设置电压参考值）设置电压参考值（2 2）判断扇区）判断扇区32永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析SVPWMSVPWM

20、（3 3）计算电压运行时间）计算电压运行时间（4 4）按扇区进行分配）按扇区进行分配33永磁电机矢量控制系统与分析永磁电机矢量控制系统与分析SVPWMSVPWM执行结果执行结果34永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用 以万向纯电动轿车为例，整车车身重量为以万向纯电动轿车为例，整车车身重量为1700kg，要求满足以下性能要求：，要求满足以下性能要求：0100km/h加速时间不超过加速时间不超过18s最大爬坡度不低于最大爬坡度不低于20%最高车速不低于最高车速不低于120km/h 车用工况对电车用工况对电机及其控制系统机及其控制系统的性能要求：的性能要求：3

21、521CiCLdadLqqCqLqqqaqiiiCiiCiCL_5_436 daddqaqqiLLLiLLL00定子电感的饱和参数分析：定子电感的饱和参数分析：永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用36永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用永磁电机基于饱和参数的最大能力评估永磁电机基于饱和参数的最大能力评估37永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用基于饱和参数的车辆运行特性分析：基于饱和参数的车辆运行特性分析：38峰值效率峰值效率92.22%92.22%最低电压下最低电压下电动高效区电动高效区64.71%64.71%额定电压下额定电压下电动高效区电动高效区61.54%61.54%额定电压下额定电压下发电高效区发电高效区56.60%56.60%最高电压下最高电压下发电高效区发电高效区45.28%45.28%永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用永磁电机矢量控制技术在电动汽车中的应用