永磁同步電機(jī)工作原理.ppt
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內(nèi)容提要,PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn) PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍 PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu) PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理 PMSM和BLDC電機(jī)的控制策略 PMSM電機(jī)的FOC控制策略,PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),(1)功率密度大; (2)功率因數(shù)高(氣隙磁場(chǎng)主要或全部由轉(zhuǎn) 子磁場(chǎng)提供); (3)效率高(不需要?jiǎng)?lì)磁,繞組損耗?。?; (4)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕,維護(hù)簡(jiǎn) 單; (5)內(nèi)埋式交直軸電抗不同,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn) 矩,弱磁性能好,表面貼裝式弱磁性 能較差。,缺點(diǎn),(1)價(jià)格較高; (2)弱磁能力低; (3)起動(dòng)困難,高速制動(dòng)時(shí)電勢(shì)高,給 逆變器帶來一定的風(fēng)險(xiǎn); (4)他控式同步電機(jī)有失步和震蕩的可 能性。,PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn),PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍,軟、硬磁盤驅(qū)動(dòng)器、錄像機(jī)磁鼓(視頻磁頭)和磁帶伺服系統(tǒng),體積小、容量小、控制精度高,機(jī)床、機(jī)器人等數(shù)控系統(tǒng),快速性好、定位(速度和位置)精度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng),交通運(yùn)輸,電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車、 城軌車輛、機(jī)車牽引,家用電器,冰箱、空調(diào)等(單位體積功率密度高、 體積?。?PMSM和BLDC電機(jī)的應(yīng)用范圍,模擬結(jié)構(gòu)圖,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),實(shí)物結(jié)構(gòu)圖,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),定子,定子繞組一般制成多相(三、四、五相不 等),通常為三相繞組。三相繞組沿定子 鐵心對(duì)稱分布,在空間互差120度電角度, 通入三相交流電時(shí),產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子采用永磁體,目前主要以釹鐵硼作 為永磁材料。 采用永磁體簡(jiǎn)化了電機(jī)的 結(jié)構(gòu),提高了可靠性,又沒有轉(zhuǎn)子銅耗, 提高電機(jī)的效率。,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),PMSM按轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)可分為兩種,(1)表面貼裝式(SM-PMSM),直交軸電感Ld和Lq相同 氣隙較大,弱磁能力小, 擴(kuò)速能力受到限制,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),(2)內(nèi)埋式(IPMSM),交直軸電感:LqLd 氣隙較小,有較好的 弱磁能力,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),無刷直流電機(jī),永磁體的弧極為180度,永磁體產(chǎn)生的氣 隙磁場(chǎng)呈梯形波分布,線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng) 勢(shì)亦是交流梯形波 定子繞組為Y或 聯(lián)結(jié)三相整距繞組 由于氣隙較大,故電樞反應(yīng)很小,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),正弦波永磁同步電機(jī),永磁體表面設(shè)計(jì)成拋物線,極弧大體為 120度 定子繞組為短距、分布繞組 定子由正弦波脈寬調(diào)制(SVPWM)的電壓型逆變其供電,三相電流為正弦或準(zhǔn)正弦波,PMSM和BLDC電機(jī)的結(jié)構(gòu),,PMSM的數(shù)學(xué)模型,:定子三相靜止坐標(biāo)系 :定子兩相靜止坐標(biāo)系 :轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系,為了簡(jiǎn)化和求解數(shù)學(xué)模型方程,運(yùn)用坐標(biāo)變換理論,通過對(duì)同步電動(dòng)機(jī)定子三相靜止坐標(biāo)軸系的基本方程進(jìn) 行線性變換,實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦 。,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,:定子電壓 :定子電流 :定子磁鏈?zhǔn)噶?:轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?:轉(zhuǎn)子角位置 :電機(jī)轉(zhuǎn)矩角,假設(shè): 1)忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和; 2)不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗; 3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。 永磁同步電動(dòng)機(jī)在三相定子參考坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下:,,,定子電壓: 定子磁鏈: 電磁轉(zhuǎn)矩:,,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,永磁同步電動(dòng)機(jī)在 標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可 以表達(dá)如下:,,,定子電流: 定子磁鏈: 電磁轉(zhuǎn)矩:,,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中的數(shù)學(xué)模 型可以表達(dá)如下:,,定子電壓: 定子磁鏈: 電磁轉(zhuǎn)矩:,,,,,,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,每一瞬間有兩個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通,每隔60度換相一次, 每次換相一個(gè)功率開關(guān),每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通120度電 角度。導(dǎo)通順序?yàn)?(1)兩兩通電方式,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,BLDC電機(jī)控制方式,全控橋兩兩通電電路原理圖,,將三只霍爾集成電路 按相位差120度安裝, 產(chǎn)生波形如圖所示。,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩 導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩 c)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩,Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖,每一瞬間有三個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通,每隔60度換相一次, 每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通180度電角度。導(dǎo)通順序?yàn)?(2)三三通電方式,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖,Y聯(lián)結(jié)三三通電方式相電壓和線電壓波形,,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖,導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩 導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩 c)三三通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩,BLDC電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)械特性方程,(3)BLDC電機(jī)運(yùn)行性能和傳遞函數(shù),:電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min); :電源電壓(V); :功率開關(guān)壓降(V); :電動(dòng)勢(shì)系數(shù); :電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均(N.m); :轉(zhuǎn)矩系數(shù); :電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻( )。,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,BLDC電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性方程,:電動(dòng)機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩; :電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩 ( ), ( 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量),PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,BLDC電機(jī)傳遞函數(shù),:電動(dòng)勢(shì)傳遞系數(shù), :轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù), :電磁時(shí)間常數(shù),,BLDC電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,(1)開環(huán)控制:u/f恒定 (2)閉環(huán)控制:,矢量控制 (70年代) 直接轉(zhuǎn)矩控制(80年代),永磁同步電機(jī)控制方式,PMSM和BLDC電機(jī)的工作原理,定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流 和 ,從而 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩 和實(shí)現(xiàn)弱磁控制。 FOC中需要測(cè)量的量為:定子電流、 轉(zhuǎn)子位置角,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,1、工作原理,以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好,控制精度高 控制簡(jiǎn)單、具有直流電機(jī)的調(diào)速性能 運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小,2、FOC特點(diǎn),PMSM電機(jī)的FOC控制策略,控制 定子電流中只有交軸分量,且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。 其性能類似于直流電機(jī),控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)矩性能好,可以獲得很寬的調(diào)速范圍,適用于高性能的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場(chǎng)合。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低,電機(jī)和逆變器容量不能充分利用。,3、FOC控制方式,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,控制 控制交、直軸電流分量,保持PMSM的功率因數(shù)為1,在 條件下,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。 可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。 最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制(最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制)。 它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制策略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí),逆變器輸出電流最小,可以減小電機(jī)的銅耗。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,4、坐標(biāo)變換,(1)Clarke(3s/2s)變換,:三相繞組每相繞組匝數(shù) :兩相繞組每相繞組匝數(shù),各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流 的乘積,其相關(guān)空間矢量均位 于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的,當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與相 總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí),兩套繞組瞬時(shí)磁 動(dòng)勢(shì)在 軸上的投影都應(yīng)相等,因此,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,考慮變換前后總功率不變,可得匝數(shù)比應(yīng)為,坐標(biāo)系變換矩陣:,可得,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線,則有,于是,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,兩個(gè)交流電流 和兩個(gè) 直流電流 ,產(chǎn)生同樣 的以同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的合 成磁動(dòng)勢(shì),軸和矢量 都以 轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn),分量 的長(zhǎng)短不變。 軸與 軸 的夾角 隨時(shí)間變化,(2)Park(2s/2r)變換,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,由圖可見, 和 之間存在下列關(guān)系,坐標(biāo)系變換矩陣:,寫成矩陣的形式,得,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,由三組六個(gè)開關(guān) ( )組成。 由于 與 、 與 、 與 之間互為反向,即一個(gè)接通, 另一個(gè)斷開,所以三組開關(guān)有 種可能的開關(guān)組合,PWM逆變器模型,(3)電壓空間矢量,,,,,,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+”極接通時(shí),該相 的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài);反之,與“-”極接通 時(shí),為“0”態(tài)。則8種可能的開關(guān)組合,逆變器7種不同的電壓狀態(tài): 電壓狀態(tài)“1”至“6” 零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7”,,,,,,,,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,逆變器的輸出電壓 用空間電壓矢量來表示,依 次表示為,,,,,,,,,,,,,逆變器非零電壓矢量輸出時(shí) 的相電壓波形、幅值和電壓 狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖 電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以6 個(gè)狀態(tài)為一個(gè)周期,相電壓 幅值為兩種: 和,,,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,把逆變器的7個(gè)輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi),形成 7個(gè)離散的電壓空間矢量。每?jī)蓚€(gè)工作電壓空間矢量 在空間的位置相隔60角度,6個(gè)工作電壓空間矢量 的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形,,,,,,,,,,,,,,,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,選定定子坐標(biāo)系中的 軸與 矢量復(fù)平面的實(shí)軸 重合,則其三相物理量 的 矢 量 為:,,,,,,,,,,,,,,,式中 ——復(fù)系數(shù),旋轉(zhuǎn)因子, 旋轉(zhuǎn)空間矢量 的某個(gè)時(shí)刻在某軸線 軸上的 投影就是該時(shí)刻該相物理量的瞬時(shí)值。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,若 三相負(fù)載的定子繞組接成星形,其輸出電 壓的空間矢量 的 矢量變換表達(dá)式為,,,,,,,,,,,,,,,對(duì)于狀態(tài)“1” 時(shí);可知,則,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,電壓空間矢量的結(jié)論:,,,,,,,,,,,,,,,逆變器六個(gè)工作電壓狀態(tài)給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn),相鄰兩個(gè)矢量之間相差60度; 電壓空間矢量的幅值不變,都等于 ,因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn); 六個(gè)電壓空間矢量的順序如下,它們依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn); 零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,5、FOC基本方程,SM-PMSM的電壓和磁鏈方程,:定子相繞組 :定子相繞組電感 :定子相繞組互感 :轉(zhuǎn)子電角度 :轉(zhuǎn)子永磁磁鏈,其中,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,說明:交軸電流 和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系,而直軸電流 對(duì)轉(zhuǎn)矩沒有影響。 如果 為電機(jī)額定電流,當(dāng) 時(shí)產(chǎn) 生最大轉(zhuǎn)矩( )。,磁鏈轉(zhuǎn)矩方程,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,6、FOC的組成,(1)SVPWM模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以 減少電流諧波、提高直流母線電壓 利用率; (2)電流讀取模塊。通過精密電阻或電 流傳感器測(cè)量定子電流;,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,(3)轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊。采用霍爾 傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確 獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息,也可 采用無傳感器檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)量; (4)PID控制模塊; (5)Clark、Park及Reverse Park變換模 塊。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,,7、FOC原理圖,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,(1)將電流讀取模塊測(cè)量的相電流 和 , 經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變 換到兩相靜止坐標(biāo)系 和 ; (2) 和 與轉(zhuǎn)子位置 結(jié)合,經(jīng)過Park變換 從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 和 ; (3)轉(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊將測(cè)量的轉(zhuǎn)子角 速度 與參考轉(zhuǎn)速 進(jìn)行比較,并通過PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ;,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,(4)交、直軸參考電流 與實(shí)際反饋的交、 直軸電流 進(jìn)行比較,取直軸參考電流 為0。再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)化為電壓 和 ; (5)電壓 和 與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子角位置 相結(jié) 合進(jìn)行反Park變換,變換為兩相靜止坐標(biāo) 系的電壓 和 ; (6)電壓 和 經(jīng)過SVPWM模塊調(diào)制為六路開 關(guān)信號(hào)從而控制三相逆變器的開通與關(guān) 斷。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,當(dāng) 變化時(shí),與 產(chǎn)生偏差 ,經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸 出設(shè)定值 ,和實(shí)際交軸電流 比較,得到偏差 , 用來調(diào)節(jié)實(shí)際交軸電流; 如果直軸電流 不為0,因?yàn)橹陛S電流給定值為0, 產(chǎn)生直軸電流偏差 ; 以上兩個(gè)偏差電流 和 經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器及反Park 變換后為SVPWM調(diào)制算法提供兩相電壓 ,從而 進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量,并通過逆變器來調(diào)節(jié)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速,然后重復(fù)上述過程,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流 的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。,PMSM電機(jī)的FOC控制策略,,謝謝!,- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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