无刷直流电机与永磁同步电机的运行控制比较 课件.pptx

1、1主主 要要 内内 容容一、几个术语解释一、几个术语解释（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器）（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器）四、两种电机及其控制系统的对比四、两种电机及其控制系统的对比（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速

2、范围）（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）2几个术语解释几个术语解释 极对数（极对数（）：电机转子中）：电机转子中N-S极的对数，极的对数，2，3，4，相数（相数（）：电机绕组个数，）：电机绕组个数，3，6，12，电角度（电角度（）/机械角度（机械角度（）：）：电角频率（电角频率（）/机械角频率（机械角频率（）：）：电角频率与电机转速（电角频率与电机转速（）：）：极（极（2p）槽（）槽（Z）配合：）配合：Z/2p 相电压：电机相绕组对电机中性点电压相电压：电机相绕组对电机中性点电压 线电压：电机两相绕组之间电压线电压：电机两相绕组之间电压 反电动势：电机到拖时某一转速下对应电机线电压峰值

3、反电动势：电机到拖时某一转速下对应电机线电压峰值eep2mn pe pepne60dtee3主主 要要 内内 容容一、几个术语解释一、几个术语解释（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器）（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器）四、两

4、种电机及其控制系统的对比四、两种电机及其控制系统的对比（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）4无刷直流电机的组成无刷直流电机的组成t无刷直流电机组成部分：无刷直流电机组成部分：电机本体、位置传感器、电机本体、位置传感器、电子开关线路；电子开关线路；t电机本体在结构上与交流电机本体在结构上与交流永磁电机相似；永磁电机相似；t电子开关线路由功率逻辑电子开关线路由功率逻辑开关单元和位置传感器信开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成；号处理单元两部分组成；t电子开关线路导通次序是电子开关线路导通次序是与转子转角同步的，起机与转子转角同步的，起机械换向器

5、的换向作用。械换向器的换向作用。5120120度导通时转子位置与电流换相关系度导通时转子位置与电流换相关系a)0a)0度（换相前）度（换相前）b)0b)0度（换相后）度（换相后）c)60c)60度（换相前）度（换相前）d)60d)60度（换相后）度（换相后）e)120e)120度（换相前）度（换相前）f)120f)120度（换相后）度（换相后）6无刷直流电机的数学模型无刷直流电机的数学模型 采用理想化的直流无刷电机用状采用理想化的直流无刷电机用状态方程表示的数学模型，电流为理想态方程表示的数学模型，电流为理想的方波，反电势为理想的梯形波，并的方波，反电势为理想的梯形波，并作如下假设：作如下假设

6、：（1）不计磁路饱和；）不计磁路饱和；（2）电机涡流损耗和磁滞损耗；）电机涡流损耗和磁滞损耗；（3）忽略定子电流的电枢反应；）忽略定子电流的电枢反应；（4）定子绕组采用）定子绕组采用Y形接法。形接法。无刷直流电机的等效电路7无刷直流电机的电路模型无刷直流电机的电路模型逆变器永磁无刷电机系统示意图 dUdC61 TT61 DD61 TT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；采用采用120120的两两导通方式的两两导通方式，对，对 分别在各自分别在

7、各自120120导通时间内根据不同导通时间内根据不同的调制方式进行的调制方式进行PWMPWM调制。调制。8无刷直流电机的数学模型无刷直流电机的数学模型ONONONCBACBACBACNBNANuuueeeiiiMLMLMLpiiiRRRuuu0000000000003CBACNBNANONeeeeeeuCCBBAArnemieieiepTrrrnLemfdtdJpTT1电压方程：电压方程：转矩方程：转矩方程：运动方程：运动方程：9120 无刷直流电机的电无刷直流电机的电流和感应电动势具有以流和感应电动势具有以下特点：下特点：（1 1）感应电动势为）感应电动势为三相对称的梯形波，其三相对称的梯形

8、波，其波顶宽为波顶宽为（2 2）电流为三相对）电流为三相对称的方波；称的方波；（3 3）梯形波反电势）梯形波反电势与方波电流在相位上严与方波电流在相位上严格同步。格同步。HALL状态与状态与PWM、三相反电势和三相电流的对应关系、三相反电势和三相电流的对应关系无刷直流电机换流关系无刷直流电机换流关系10无刷直流电机的相电流分析无刷直流电机的相电流分析t0ftAiBiCisIsIit0ftAiBiCiftsIsIit0AiBiftftCisIsIi11无刷直流电机的换流模式无刷直流电机的换流模式（1 1）pwm-onpwm-on型调制方式型调制方式（2 2）on-pwmon-pwm型调制方式型调

9、制方式（3 3）H_on-L_pwmH_on-L_pwm型调制方式型调制方式（4 4）H_pwm-L_onH_pwm-L_on型调制方式型调制方式（5 5）L_pwm-H_pwmL_pwm-H_pwm型调制方式型调制方式（6 6）on-onon-on型调制方式型调制方式12无刷直流电机的换流模式对比无刷直流电机的换流模式对比（1 1）pwm-onpwm-on换相转矩脉动最小，非换向相电流脉动最小；换相转矩脉动最小，非换向相电流脉动最小；（2 2）on-pwmon-pwm换相转矩脉动和非换相相电流均比换相转矩脉动和非换相相电流均比pwm-onpwm-on大；大；（3 3）H_pwm-L_onH_

10、pwm-L_on下桥换相转矩脉动和电流脉动与下桥换相转矩脉动和电流脉动与on-pwmon-pwm相等，上桥换相转矩脉动相等，上桥换相转矩脉动和电流脉动与和电流脉动与pwm-onpwm-on相等，且均较小；相等，且均较小；H_on-L_pwmH_on-L_pwm与与H_pwm-L_onH_pwm-L_on正好相反；正好相反；（4 4）H_pwm-L_pwmH_pwm-L_pwm换相转矩脉动最大，非换向相电流脉动也最大。换相转矩脉动最大，非换向相电流脉动也最大。（5 5）功率管开通，转矩脉动相同；功率管关断，单侧调制转矩脉动大于双侧调制）功率管开通，转矩脉动相同；功率管关断，单侧调制转矩脉动大于双

11、侧调制转矩脉动；转矩脉动；（6 6）单侧调制存在相见续流现象，换相时间长；双侧调制引入直流母线电压到续）单侧调制存在相见续流现象，换相时间长；双侧调制引入直流母线电压到续流回路，产生反电压，换相时间短；流回路，产生反电压，换相时间短；（7 7）单侧调制较双侧调制损耗小。）单侧调制较双侧调制损耗小。13无刷直流电机的基本无刷直流电机的基本控制系统控制系统rerArerArermmrerAAmmemikiKikiKT11电流闭环控制结构电流闭环控制结构转矩闭环控制结构转矩闭环控制结构14无刷直流电机的基本无刷直流电机的基本控制系统控制系统转矩闭环控制结构转矩闭环控制结构依据转速控制弱磁角度依据转速

12、控制弱磁角度转矩闭环控制结构转矩闭环控制结构依据转速和转矩控制弱磁角度依据转速和转矩控制弱磁角度15主主 要要 内内 容容一、几个术语解释一、几个术语解释（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器）（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器

13、）四、两种电机及其控制系统的对比四、两种电机及其控制系统的对比（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）16240sin120sinsin111tIitIitIimSCmSBmSA)(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

14、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，172121212323021211ABCT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18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

15、为例：约束条件，以定子电流为例：0001000sincos0cossinuuuTiiiiiidqqd1000sincos0cossindqTSqSdSjiiI矢量控制基础矢量控制基础坐标变换坐标变换19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ABCTSAidqTSBiSCiSdiSqiSiSiSiSiSdiSqiSAi20 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

16、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21永磁电机数学模型与基本控制方法永磁电机数学模型与基本控制方法 以三相两极永磁无刷电机为以三相两极永

17、磁无刷电机为例，分析永磁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。2210dddddddddd0011meqdqdqdqdedqqdqdqdqdiitIILLtIILL

18、iiLLiitLLiiRRuuqdqdqmpmiiLLinT232电压方程：电压方程：转矩方程：转矩方程：永磁电机数学模型与基本控制方法永磁电机数学模型与基本控制方法直轴电感：直轴电感：交轴电感：交轴电感：21021023232323LLLLLLLLqd01002003004005006000.511.522.533.5x 10-4IdIq(A)LdLq(H)定 子 DQ轴 电 感 随 定 子 DQ轴 电 流 饱 和 曲 线23Ld=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同步电机的基本特性永磁同步电机的基本特性24 Id=0Id=0控制控制 最大转

19、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同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法25 1、Id=0控制：控制：smemipT22limmaxmqemmLTpu永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法262 2、最大转矩、最大转矩/电流比控制：电流比控制：0qsemdsemiiTiiT22lim22224dqqdqqdmmdiiiLLiLLiqdqmqdmqbLLCLCLLiLpu168222limlim)8(2lim22iLLCqdmm永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法273、恒功率弱磁控制：、恒功率弱磁

20、控制：22lim222limdqdqqdedmdiiiLiLLuLi222limmddqqiLiLu22max)()(1qqddmsnbILILUp永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法284、最大功率控制：、最大功率控制：01diPddmdqddqiLiLiLui22limdmmdLui14182lim22永磁同步电机的基本控制方法永磁同步电机的基本控制方法29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）永磁同步电机矢量控制系统永磁同步电机矢量控制系统30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）永磁同步电机矢量控制系统永磁

21、同步电机矢量控制系统31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）永磁同步电机矢量控制系统永磁同步电机矢量控制系统32旋转变压器旋转变压器33主主 要要 内内 容容一、几个术语解释一、几个术语解释（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）（极对数、电角度、电角频率、相电压、线电压、反电动势）二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法二、无刷直流电机的运行原理和基本控制方法（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）（运行原理、数学模型、换流模式、控制方法）三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法三、永磁同步电机的运行原理和基本控制方法（矢量控制基

22、础、数学模型、控制方法、旋转变压器）（矢量控制基础、数学模型、控制方法、旋转变压器）四、两种电机及其控制系统的对比四、两种电机及其控制系统的对比（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）（转子位置、三相电流、转矩脉动、调速范围）34两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比永磁无刷电机永磁无刷电机位置信号位置信号永磁同步电机永磁同步电机位置信号位置信号35永磁无刷电机永磁无刷电机三相反电动势与三相电流三相反电动势与三相电流永磁同步电机永磁同步电机三相反电动势与三相电流三相反电动势与三相电流两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比36两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控

23、制系统的对比永磁无刷电机永磁无刷电机三相电流三相电流永磁同步电机永磁同步电机三相电流三相电流Id=0控制控制最大转矩电流比控制最大转矩电流比控制37两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比(a)(a)定子电流相平面图定子电流相平面图(b)(b)三相定子电流三相定子电流(c)(c)直轴电流分量直轴电流分量 (d)(d)交轴电流分量交轴电流分量 (e)(e)磁阻转矩分量磁阻转矩分量 (f)(f)永磁转矩分量永磁转矩分量(g)(g)电机输出转矩电机输出转矩(h)(h)实际转速与计算转速实际转速与计算转速38两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比(a)(a)转矩转矩转速特性曲

24、线转速特性曲线 (b)(b)功率功率转速特性曲线转速特性曲线(c)(c)电机效率电机效率转速特性曲线转速特性曲线电机输出特性需求电机输出特性需求39两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比1、低速出力（转矩、低速出力（转矩/电流比，功率模块利用率）电流比，功率模块利用率）以车用驱动电机为例：无刷直流电机转矩以车用驱动电机为例：无刷直流电机转矩/电流有效值比为电流有效值比为0.456，转矩，转矩/电流峰值比为电流峰值比为0.297；永磁同步电机相对应的分别为；永磁同步电机相对应的分别为0.563和和0.375，同比增加，同比增加20%以上；以上；无刷直流电机低速电流无刷直流电机低速电

25、流/转矩脉动大，换相噪声大，低速电机抖动明显；永磁同步电转矩脉动大，换相噪声大，低速电机抖动明显；永磁同步电机可实现零转速控制，转矩可达到最大转矩值；机可实现零转速控制，转矩可达到最大转矩值；驱动电机采用矢量控制技术，功率模块电流裕量提高。驱动电机采用矢量控制技术，功率模块电流裕量提高。2、高速恒功率（恒功率调速范围，弱磁率）、高速恒功率（恒功率调速范围，弱磁率）以某额定转速以某额定转速6000rpm的车用驱动电机为例，无刷直流电机采用提前换相控制的最高的车用驱动电机为例，无刷直流电机采用提前换相控制的最高转速为转速为8000rpm，弱磁率为，弱磁率为1:1.3；永磁同步电机可控制的恒功率最高

26、转速为；永磁同步电机可控制的恒功率最高转速为12000rpm，弱磁率为，弱磁率为1:2；以混合动力客车；以混合动力客车ISG电机为例，无刷直流电机的弱磁率为电机为例，无刷直流电机的弱磁率为1:1.2，永磁，永磁同步电机的弱磁控制率为同步电机的弱磁控制率为1:1.5；无刷直流电机恒功率运行时，电流脉动和转矩脉动大，电机运行噪声大；而永磁同步无刷直流电机恒功率运行时，电流脉动和转矩脉动大，电机运行噪声大；而永磁同步电机可实现电流和转矩平稳，噪声较小。电机可实现电流和转矩平稳，噪声较小。40两种电机及其控制系统的对比两种电机及其控制系统的对比永磁电机类型永磁电机类型无刷直流电机无刷直流电机永磁同步电机永磁同步电机控制方法控制方法简单，位置换相简单，位置换相复杂，需要矢量变换复杂，需要矢量变换转矩脉动转矩脉动换相脉动大换相脉动大小小恒功率调速范围恒功率调速范围1:1.21.31:1.21.31:1.52.01:1.52.0制动效率制动效率较低较低较高，可四象限运行较高，可四象限运行运行噪声运行噪声较高较高较低较低气隙气隙大，参数稳定大，参数稳定小，参数易饱和小，参数易饱和传感器传感器霍尔，无位置霍尔，无位置旋变旋变可靠性可靠性霍尔低，无位置高霍尔低，无位置高高高生产成本生产成本较低较低较高较高维护成本维护成本较高较高较低较低41谢谢各位！