PMSM同步電動(dòng)機(jī)矢量控制

1、.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危.簡介 8.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 8.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制 8.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制 8.4 同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè). 8.1.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 8.1.2 在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 8.1.3 在d q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型8.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型.8.1.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)之間主要差別：（1）定子電源

2、的頻率與同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在著確定的關(guān)系 。（2）同步電動(dòng)機(jī)可以在任何功率因數(shù)（超前、滯后或者1）下運(yùn)行。（3）勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可能為凸極或隱極結(jié)構(gòu)，在分析時(shí)不得不采用雙反應(yīng)原理。（4）勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)電磁關(guān)系變得十分復(fù)雜。December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危1160nfp.圖8-1 是凸極勵(lì)磁同步電機(jī)的示意圖圖8-1是凸極勵(lì)磁同步電機(jī)的示意圖。按照電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定的正方向，可列出ABC坐標(biāo)系下同步電動(dòng)機(jī)1.磁鏈方程2.電壓方程3.轉(zhuǎn)矩方程。8.1.2 在在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型.下面先對(duì)定、轉(zhuǎn)子繞組的

3、自感和互感進(jìn)行定下面先對(duì)定、轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感進(jìn)行定義：義： 對(duì)于理想的凸極同步電動(dòng)機(jī)，以直軸作為坐標(biāo)原點(diǎn)O時(shí)，在距離原點(diǎn)的 電角度處，單位面積的氣隙磁導(dǎo) 可以表示為 December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危 02cos2mmm 式中， 為氣隙磁導(dǎo)的平均值； 為氣隙磁導(dǎo)的二次諧波幅值。0m2m（8-5） 圖8-2 凸極同步電動(dòng)機(jī)的單位面積氣隙磁導(dǎo) .December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危設(shè) 為轉(zhuǎn)子直軸與定子A相軸線間的夾角，仿照異步電動(dòng)機(jī)中自感的定義方法，勵(lì)磁凸極

4、同步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的自感為020202cos2cos2(120 )cos2(120 )AAssoBBssoCCssLLLLLLLLL勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組之間的互感為020202cos2(120 )cos2cos2(120 )oABBAmmBCCBmmoCAACmmLLLLLLLLLLLL （8-6） （8-7）.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危.=AAA AAB BAC CAffAD DAQ QBBA ABB BBC CBffBD DBQ QCCA ACB BCC CCffCD DCQ QffA AfB Bf

5、C CffffD DDDA ADB BDC CDffDD DQQA AQB BQC CL iL iL iL iLiLiL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iLiL iLiL iL iL iLQQ Qi磁鏈方程磁鏈方程 (8-1).December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危2.電壓方程電壓方程同步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組的電壓方程為：式中 ， 分別為定子各相的端

6、電壓； 為定子每相的電阻。AAs ABBs BCCs CduR idtduR idtduR idtABCuuu、sR勵(lì)磁繞組和阻尼繞組的電壓方程為：式中， 為勵(lì)磁繞組所加的電壓；阻尼繞組自身為短路，故其端電0； 、 、 分別為勵(lì)磁繞組和直軸、交軸阻尼繞組的電阻。00ffffDD DQQ QduR idtdR idtdR idtfufRDRQR (8-11) (8-12) .December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危寫成矩陣形式。定義微分算子 ，則有P=ddtPPss ssrr rruR iuR i或PuRi式中， 和 分別為定、轉(zhuǎn)子

7、繞組的電壓列矩陣； 為整個(gè)電機(jī)的電壓列矩陣； 和 為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻矩陣； 為整個(gè)電機(jī)的電阻矩陣。suruusRrRR（8-13） （8-14）.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危3. 轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程參照異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的推導(dǎo)方法，得22222111222sin2CCBCCAAABBABABCA BB CC AAfBfCfCDADBDA fB fC fA DB DC DAQBQCQA QB QC QsALLLLLLTpiiii ii ii iLLLLLLp i ii ii ii ii ii iLLLi ii ii ip

8、Li 22sin(2120 )sin(2120 )2sin(2120 )2sin22sin(2120 )sinsin(120 )sin(120 )sinsin(120 )sin(120 )coscos(120 )cos(oooBCA BoooB CC AsffABCoosD DABCosQ QABCiii ii ii ipL iiiipL iiiipL iiii120 )o從上式可以看出，由于電磁轉(zhuǎn)矩中包含電流的平方項(xiàng)和乘機(jī)項(xiàng)，所以它與電流是非線性關(guān)系。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程與異步電動(dòng)機(jī)相同。（8-15） .December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居

9、安思危居安思危8.1.3 在在d q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型根據(jù)坐標(biāo)變換原理，可將靜止的ABC坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型變換到旋轉(zhuǎn)的d q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。變換前和變換后，基波合成磁動(dòng)勢(shì)保持不變，氣隙磁場保持不變，漏磁場也互相等效。磁鏈方程磁鏈方程 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過等效變換后，定轉(zhuǎn)子在dq坐標(biāo)系下的磁鏈方程為00 0323232dd dsffsD Dqq qsQ Qfsf dffffD DDsD dDffDD DQsQ qQQ QL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iL iLiL iLi式中， 為直軸同步電感； 為交軸同步電感； 為零軸（或零序）電感。經(jīng)過等效變換

10、后，電感值為dLqL0L002002000323-2-2dsmsqsmssmLLLLLLLLLLL（8-16） （8-17）.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危將d q 坐標(biāo)系下的磁鏈方程式代入上面三個(gè)式中，則電壓方程變換為000-0000000300023000020300002qsfsQsdsDsqsfsQdsD

11、ddsqqsfffffDffDsDfDDDDQsQQQQLL PLRL PL PRL PLL PLLuiRL PuiuiL PRL PL PuiiL PL PRLPiL PRLP從上式可以看出，經(jīng)過等效變換后，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 等于恒定值，且不計(jì)磁飽影響時(shí)，在 坐標(biāo)系下的電壓方程可變成線性常系數(shù)微分方程。dq（8-22）.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危3.電磁轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩方程利用交流電動(dòng)機(jī)三相ABC靜止坐標(biāo)系與兩相d q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換公式,按照等功率變換原則，電流 、 、 與 、 、 之間的變換關(guān)系為AiBiC

12、idiqi0i01cossin221cos(120 )sin(120 )321cos(120 )sin(120 )2dABqCiiiiii 將上式中的 、 、 用 、 、 代替，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為AiBiCidiqi0i()d qq dTpii（8-23） （8-24）. 8.2.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈定向控制 8.2.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈模型 8.2.3 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)8.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危在同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，常用氣隙磁鏈定向和

13、轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制方法。轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：具有系統(tǒng)簡單和調(diào)速性能高的優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：隨著同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的增加，定子電流增大，電樞反應(yīng)增強(qiáng)，氣隙磁鏈增加，導(dǎo)致定子電壓大幅度升高，降低了同步電動(dòng)機(jī)的使用容量。同時(shí)也造成了電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的下降，這對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。 因此，中小容量的永磁同步電動(dòng)機(jī)均采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制方法，大型勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制均采用氣隙磁鏈定向的控制方法。8.2.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈定向控制勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈定向控制1. 同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩2. 同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈3. 同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組影

14、響同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危1. 同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩()xmsgTpi 0gMggT氣隙磁鏈空間矢量為ggMgTgj（8-25）（8-26）（8-27）.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危定子電流空間矢量也沿M、T軸分解為兩個(gè)分量：ssMsTijii通過以上三個(gè)式子，可得同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩：()()emsMsTgMgTsTgTpijijpi（8-28） （8-29） .December 11,

15、2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危2. 同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈gsf（8-30）圖8-3 M T坐標(biāo)系同步電機(jī)矢量圖.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危gsfiiigg gLi（8-31） （8-32） .cossinsincoscossinsMsssTssfMffTfiiiiiiiiii （8-33).圖8-4 分解為M T分量.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危gfMsMiii (8-34).D

16、ecember 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危tansMsTiitantantan()tantan1tantanssss當(dāng)忽略定子電阻時(shí)，由圖8-3可得tan()slslssTsTsgLLiie (8-35)(8-36)（8-37).December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危(tan)slsMssTsTgLiiitansMsTii (8-38) （8-39）.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危2222()()

17、()()ffMfTgsMsTiiiiii (8-40)圖8-4 分解為M T分量.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危第二種方法：第二種方法： 根據(jù)圖8-4，勵(lì)磁電流為coscosfMgsMfiiii111111sinsin()sincoscossincoscos()sinsincoscoscoscosfMgfiii (8-41)(8-42) (8-43).December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危gdfdsdfsdgqfqsqsqiiiiiiiiigdgd gdg

18、qgq gqL iL i.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危gdg gdgqg gqL iL igdgdgqgqii.December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危圖8-5 隱極同步電動(dòng)機(jī)電流矢量圖圖8-6 凸極同步電動(dòng)機(jī)電流矢量圖 .December 11, 2021行勝于言行勝于言 敢為人先敢為人先 和而不同和而不同 居安思危居安思危.sgslsgslL iL i.gssslgsssldddiLdtdtdtdddiLdtdtdtsss ssss sduR idtd

19、uR idt.圖8-7 同步電動(dòng)機(jī)電壓模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框圖電壓模型法適用于同步電動(dòng)機(jī)中高速運(yùn)行場合。由于電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，定子電壓較低，且定子電壓降很難得到精確的補(bǔ)償。另外，在電壓模型法中，由于積分的存在，會(huì)出現(xiàn)漂移問題。所以應(yīng)用電壓模型法計(jì)算氣隙磁鏈不準(zhǔn)確，必須與電流模型法結(jié)合使用。.*fMgMsMfTgTsTiiiiii.*0ggMgggTiiLi*1*ggfTfMfTfMiarctaniiarctani.*cos-sinsincosgdgMgqgTiiii.圖8-9 基于電流反饋值的電流模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框圖 .轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)氣隙磁鏈控制系統(tǒng)氣隙磁鏈控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制系統(tǒng)功率因數(shù)控制功率因數(shù)控制電壓模型法與電流模型法的切換電壓模型法與電流模型法的切換.圖8-10 勵(lì)磁同步