现代交流电机控制技术C8正弦波永磁同步电动机(永磁同步电动机)的控制技术课件.ppt
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1、第八章正弦波永磁同步电动机(永磁同步电动机)的控制技术内容概要l 永磁同步电动机的转子结构及物理模型;l 永磁同步电动机的数学模型l 永磁同步电动机矢量控制系统;l 永磁同步电动机的弱磁控制及定子电流最优控制;l 谐波转矩及其抑制方法;l 三相永磁同步电动机直接转矩控制技术;l 永磁同步电动机转子位置检测本章讲述:2022年8月4日22时16分 正弦波永磁同步电动机,通常称作永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM),其定子绕组一般为三相短距分布绕组,其气隙磁场和定子分布绕组决定了定子绕组感应电动势为正弦波形,所用的供电电源为PWM变压变频
2、电源。2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分 正弦波永磁同步电动机具有十分优良的转速控制性能,其突出的优点是结构简单、体积小、重量轻、具有很大的转矩/惯性比,快速的加减速度、转矩脉动小、转矩控制平滑、调速范围宽、高效率、高功率因数等。目前永磁同步电动机已广泛应用于航空航天、数控机床、机器人、电动汽车和计算机外围设备等领域中。永磁同步电动机的转子结构,按永磁体安装形式分类,有面装式(面贴式、外装式)、插入式和内装式3种。8.1永磁同步电动机的转子结构及物理模型2022年8月4日22时16分 8.1.1 永磁同步电动机的转子结构 面装式永磁同步电动机结构简单、制造方便、转动惯
3、量小,易于将气隙磁场设计成近似正弦分布,在工业上得到广泛应用。面装式转子永磁体得几种几何形状如图8-1所示。2022年8月4日22时16分 图图8-1 面面装式永磁转子结构装式永磁转子结构a)圆套筒型圆套筒型 b)瓦片型瓦片型 c)扇装型扇装型2022年8月4日22时16分 另外一种转子结构,它不是将永磁体装在转子表面上,而是将其埋装在转子铁芯内部,每个永磁体都被铁芯所包围,如图8-2a所示,称之为插入式永磁同步电动机。这种结构机械强度高,磁路气隙小,更适用于弱磁运行。2022年8月4日22时16分 图8-2b所示的内装式结构,永磁体径向充磁,气隙磁通密度会在一定程度上受到永磁体供磁面积的限制
4、。在某些电动机中,要求气隙磁通值很高。在这种情况下,可用另一种结构的永磁转子,它将永磁体横向充磁。2022年8月4日22时16分图图8-2 a)插入式永磁转子结构插入式永磁转子结构2022年8月4日22时16分图图8-2 b)内装式永磁转子结构内装式永磁转子结构2022年8月4日22时16分 8.1.2 永磁同步电动机的物理模型图图8-3 二极面装式二极面装式PMSM物理模型物理模型a)转子等效物理模型转子等效物理模型 b)物理模型物理模型2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分 如图8-3a所示,由于永磁体内部的磁导率非常小,因此对于定子三相绕组产生的电枢磁动势而言,电动
5、机气隙是均匀的,气隙长度为g,可以将位于转子表面的永磁体等效为两个空心励磁线圈。图8-3b为等效后的物理模型,将等效励磁绕组表示为位于永磁励磁磁场轴线上的线圈。将面装式永磁同步电动机等效成为一台电励磁三相隐极同步电动机,差别就是电励磁同步电动机的转子励磁磁场可以调节,而面装式PMSM的永磁磁场不可调节。2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分图图8-4 二级插入式二级插入式PMSM的等效物理模型的等效物理模型a)转子等效励磁绕组转子等效励磁绕组 b)物理模型物理模型2022年8月4日22时16分8.2永磁同步电动机的转子数学模型2022年8月4日22时16分 8.2.1 面
6、装式三相永磁同步电动机的数学模型1.定子磁链和电压矢量方程图8-3b中,三相绕组的电压方程可表示为AAs AduR idt(8-1)BBs BduR idt(8-2)CCs CduR idt(8-3)2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分图图8-5 面装式面装式PMSM等效电路等效电路2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分图图8-6 面装式面装式PMSM矢量图和相量图矢量图和相量图a)稳态矢量图稳态矢量图 b)相量图相量图2022年
7、8月4日22时16分2022年8月4日22时16分图图8-7 以电压源表示的等效电路以电压源表示的等效电路2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时16分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分 8.2.2 插入式三相永磁同步电动机的数学模型 如图8-4b所示,对于插入式转子结构,电动机气隙是不均匀的。在幅值相同的 作用下,因相位角不同,产生的电枢反应磁场不会相同,等效励磁电感不再是常值,而随 角的变化而变化,这给定量计算电枢反应磁场和分析电枢反应作用带来很大困难。在电机学中,常采用双反应(双轴)理论来
8、分析凸极同步电动机问题。对于插入式永磁同步电动机,同样可采用这种分析方法,为此可采用图8-4b中的dq轴系来构建数学模型。si2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-10 以以dq轴系表示的电压等效电路轴系表示的电压等效电路a)直轴直轴 b)交轴交轴2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-11 插入式插入式PMSM稳态矢量图稳态矢量图2022年8月4日22时17分 同样,可将图8-11所示的矢量图直接转换为A相绕组的相量
9、图,如图8-12a所示。对于面装式PMSM,可将图8-12a表示为图8-12b的形式,此图与图8-6b形式相同。图图8-12 PMSM相量图相量图a)插入式插入式PMSM b)面装式面装式PMSM2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2.电磁转矩方程 对于插入式PMSM而言,图8-4b与三相凸极同步电动机的等效模型具有相同的形式。三相凸极同步电动机的电磁转矩为21sin()sin2 2ef sdqstpiLL i显然,式(8-54)同样适用于插入式PMSM,只是此时转子磁场不是由转子励磁绕组产生的,而是由永磁体提供的。(8-54)2022年8月4日22时17分2022年8
10、月4日22时17分图图8-13 特性曲线特性曲线et2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分 在dq轴系内通过控制的幅值和相位,就可控制电磁转矩,这等同于在dq轴系内控制内的两个电流分量id和iq。但是,这个dq轴系的d轴一定要与 f方向一致,或者说dq轴系是沿转子磁场定向的,通常称之为磁场定向。8.3永磁同步电动机矢量控制系统2022年8月4日22时17分 8.3.1 面装式三相永磁同步电动机矢量控制系统 上式是转矩矢量方程式,易知,决定电磁转矩的是定子电流q轴分量,iq称为转矩电流。sinef sf qtpipi2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17
11、分图图8-14 面装式面装式PMSM转矩控制(转矩控制()0di 2022年8月4日22时17分 图8-15 等效他励直流电动机a)iq0,id=0b)iq=0,id02022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-16 面装式面装式PMSM弱磁控制(弱磁控制()0di 2022年8月4日22时17分图图8-17 考虑弱磁的等效直流电动机考虑弱磁的等效直流电动机2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-18 静止静止DQ轴系与同步旋转轴系与同步旋转dq轴系轴系2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分
12、2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分 三相同步电动机的运行原理是依靠定、转子双边励磁,由两个励磁磁场的相互作用产生励磁转矩,转矩控制的核心是对定子电流矢量幅值和相对转子磁链矢量相位的控制,由于机电能量转换在定子中完成,因此转矩控制可直接在定子侧实现,这些都要比感应电动机转差频率控制相对简单和容易实现。PMSM的转子磁场由永磁体提供,若不计温度和磁路饱和影响,可认为转子磁链 恒定,如果不需要弱磁的话,与三相感应电动机相比,相当于省去了励磁控制,使控制系统更加简化。f2022年8月4日22时17分 由上分析可知,无
13、论从能量的传递和转换,还是从磁场定向、矢量变换、励磁和转矩控制来看,PMSM都要比三相感应电动机直接和简单,其转矩生成和控制更接近于实际的他励直流电动机,动态性能更容易达到实际直流电动机的水平,因此在数控机床、机器人等高性能伺服驱动领域,由三相永磁同步电动机构成的私服系统获得了广泛的应用。2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分 由于计算机技术的发展,特别是数字信号处理器(DSP)的广泛应用,加之传感技术以及现代控制理论的日渐成熟,使得PMSM矢量控制不仅理论上更加完善,而且实用化程度也越来越高。2022年8月4日22时17分5.矢量控制系统 应当指出,PMSM矢量控制系统
14、的方案是有多种选择的。作为一个例子,图8-19给出了面装式PMSM的矢量控制系统一个原理性的框图,控制系统采用了具有快速电流控制环的电流可控PWM逆变器。2022年8月4日22时17分图图8-19 面装式面装式PMSM矢量控制系统框图矢量控制系统框图2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-20 面装式面装式PMSM矢量控制矢量控制a)a)矢量图矢量图 b)相量图)相量图2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分8.3.2 插入式三相永磁同步电动机矢量控制系统 插入式和内装式PMSM是将永磁
15、体嵌入或内装于转子铁心内,在结构上增强了可靠性,可以提高运行速度;能够有效利用电磁转矩,提高转矩/电流比;还可降低永磁体励磁磁通,减小永磁体的体积,既有利于弱磁运行,扩展速度范围,又可降低成本。2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分 通过对式(8-76)求极值,可得这两个电流分量的关系,即为3(1)dnendntii21142qnenqniti(8-78)(8-79)2022年8月4日22时17分图图8-21 可获得最大转矩可获得最大转矩/电流比的定电流比的定子电流矢量轨迹子电流矢量轨迹2022年8月4日22时17分 图8-21中,定子电流矢
16、量轨迹在第二和第三象限内对称分布。第二象限内转矩为正(驱动作用),第三象限内转矩为负(制动作用)。轨迹在原点处与q轴相切,它在第二象限内的渐近线是一条45的直线,当转矩值较低时,轨迹靠近q轴,这表示励磁转矩起主导作用,随着转矩的增大,轨迹渐渐远离q轴,这意味着磁阻转矩的作用越来越大。图8-22给出了插入式PMSM恒转矩矢量控制简图,电动机仍然具有快速电流控制环的PWM逆变器馈电,其他控制环节图中没有画出。2022年8月4日22时17分图图8-22 插入式插入式PMSM恒转矩矢量控制简图恒转矩矢量控制简图2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-23 函数函数 f1和和
17、f2 8.4.永磁同步电动机弱磁控制及定子电流的最优控制2022年8月4日22时17分8.4.1 弱磁控制 逆变器向电动机所能提供的最大电压要受到整流器可能输出的直流电压的限制。在正弦稳态下,电动机定子电压矢量 的幅值直接与电角频率 ,即与转子电角速度 有关,这意味着电动机的运行速度要受到逆变器电压极限的制约。sr2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分2.电压极限椭圆和电流极限圆2022年8月4日22时17分2022年8月4日22时17分图图8-24 电流极限圆和电压极限椭圆电流极限圆和电压极限椭圆2022年8月
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