第六章永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)

1、第六章永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的組成和工作原理一、永磁無刷電機的分類二、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)三、永磁同步電機的工作原理四、永磁同步電機的數(shù)學模型及控制系統(tǒng)一、永磁同步電機的分類PMSM和BDCM每相勵磁磁場強度波形a)PMSMb)BLDCM 永磁電動機既具有交流電動機的無電刷結(jié)構(gòu)、運行可靠等優(yōu)點, 又具有直流電動機的調(diào)速性能好的優(yōu)點, 且無需勵磁繞組, 可以做到體積小、控制效率高, 是當前電動車用電動機研發(fā)與應(yīng)用的熱點。永磁無刷電動機可以分為： 由方波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)(BLDCM) 由正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機系統(tǒng)(PMSM)一、永磁同步電機的分類 永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電動機無刷直

2、流電動機(BLDCM)(BLDCM)系統(tǒng)和永磁同步電動機系統(tǒng)和永磁同步電動機(PMSM)(PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)。 無刷直流電動機(BLDCM)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、位置檢測和控制方法簡單的優(yōu)點, 但是由于換相電流很難達到理想狀態(tài), 因此會造成轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪聲等問題。對于車速要求不太高的電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域,BLDCM系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢, 得到了廣泛的重視和普遍應(yīng)用。 永磁同步電動機永磁同步電動機( PMSM)( PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點, 通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能, 提高電動機的調(diào)速范圍, 因此在電動車驅(qū)動方面具有較高

3、的應(yīng)用價值, 已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視, 并在日本得到了普遍的應(yīng)用 , 是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢1、效率高、更加省電：、效率高、更加省電：a、由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過勵磁電流來產(chǎn)生磁場而導致的勵磁損耗（銅耗）；b、永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，其在輕載時效率值要高很多。c、由于永磁同步電機功率因數(shù)高，這樣相比異步電機其電機電流更小，相應(yīng)地電機的定子銅耗更小，效率也更高。d、系統(tǒng)效率高：永磁電機參數(shù)，特別是功率因數(shù)，不受電機極數(shù)的影響，因此便于設(shè)計成多極電機（如可以100極

4、以上），這樣對于傳統(tǒng)需要通過減速箱來驅(qū)動負載電機，可以做成直接用永磁同步電機驅(qū)動的直驅(qū)系統(tǒng)，從而省去了減速箱，提高了傳動效率。永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢2、功率因數(shù)高：、功率因數(shù)高：由于永磁同步電機在設(shè)計時，其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，甚至可以設(shè)計成功率因數(shù)等于1，且與電機極數(shù)無關(guān)。電機的功率因數(shù)高有以下幾個好處：a、功率因數(shù)高，電機電流小，電機定子銅耗降低，更節(jié)能；b、功率因數(shù)高，電機配套的電源，如逆變器，變壓器等，容量可以更低，同時其他輔助配套設(shè)施如開關(guān)，電纜等規(guī)格可以更小，相應(yīng)系統(tǒng)成本更低。c、由于永磁同步電機功率因數(shù)高低不受電機極數(shù)的限制，在電機配套系統(tǒng)允

5、許的情況下，可以將電機的極數(shù)設(shè)計的更高，相應(yīng)電機的體積可以做得更小，電機的直接材料成本更低。永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢3、電機結(jié)構(gòu)簡單靈活：、電機結(jié)構(gòu)簡單靈活： 由于異步電機轉(zhuǎn)子上需要安裝導條、端環(huán)或轉(zhuǎn)子繞組，大大限制了異步電機結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計更為靈活。4、可靠性高：、可靠性高： 由于永磁同步變頻調(diào)速電機參數(shù)不受電機極數(shù)的限制，便于實現(xiàn)電機直接驅(qū)動負載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機械傳動系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和靈活性。永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢永磁同步電機相比交流異步電機優(yōu)勢5、體積小，功率密度大：、體積小，功率密度大：

6、電機效率的增高，相應(yīng)地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設(shè)計的更??；電機結(jié)構(gòu)的靈活性，可以省去電機內(nèi)許多無效部分，如繞組端部，轉(zhuǎn)子端環(huán)等，相應(yīng)體積可以更小。6、起動力矩大、噪音小、起動力矩大、噪音小、溫升低、溫升低 ：a、永磁同步電機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態(tài)，低頻時的輸出力矩較異步電機大，運行時的噪音??；b、轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%。 （1）價格較高價格較高：磁鋼價格較高。：磁鋼價格較高。 （2）弱磁能力低弱磁能力低：

7、由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子為永：由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗；耗； （3）起動困難起動困難，高速制動時電勢高，給逆變器帶，高速制動時電勢高，給逆變器帶來一定的風險。來一定的風險。永磁同步電機缺點永磁同步電機缺點二、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)圖5-57交流永磁電驅(qū)動系統(tǒng)a)交流永磁電驅(qū)動系統(tǒng)b)永磁電機控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)交流永磁電驅(qū)動系統(tǒng)由交流永磁電動機和控制器組成。交流永磁電驅(qū)動系統(tǒng)由交流永磁電動機和控制器組成。正弦波永磁同步電

8、動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖 二、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)rrggbbNSACBZYX模擬結(jié)構(gòu)圖二、永磁同步電機的結(jié)構(gòu) 定子定子繞組一般制成三相繞組。三相繞組繞組一般制成三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差沿定子鐵心對稱分布，在空間互差120120度度電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。磁場。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作 為永磁材料。為永磁材料。 采用永磁體簡化了電機的采用永磁體簡化了電機的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗， 提高電機的效率。提高電機的效率。 霍爾傳感器 定

9、子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵實物結(jié)構(gòu)圖二、永磁同步電機的結(jié)構(gòu) 貼面轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)二、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)（1）表面凸出式結(jié)構(gòu) 表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，使之成為能使電動機氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀。可顯著提高電動機乃至整個傳動系統(tǒng)的性能；具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩脈動低等優(yōu)點。 但由于弱磁調(diào)速范圍小，功率密度低，所以與其他轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比在電動車驅(qū)動力一面沒有優(yōu)勢。 1997年本田汽車公司PLUS電動車的驅(qū)動電機采用了這種結(jié)構(gòu)的永磁同步電機。日前可在矩形波永磁同步電動機的恒功率運行范圍不寬的正弦波永磁同步電機中應(yīng)用。比較適合用作汽車的電子伺服驅(qū)動：如汽車電子動

10、力力一向盤的伺服電機。（2）表面插入式結(jié)構(gòu) 可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善。制造工藝也較簡單。但漏磁系數(shù)和制造成本都大。 這種結(jié)構(gòu)型式的永磁同步電動機為豐田汽車公司的蓄電池電動車RAV4所采用。本田汽車公司PLUS電動車的第一代驅(qū)勸電機也采用了這種結(jié)構(gòu)。a）內(nèi)置徑向式 b）內(nèi)置切向式 c）內(nèi)置混合式內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)置式永磁同步電機也稱為混合式永磁磁阻電機。該電機在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩。磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調(diào)速.擴大恒功率范圍運行。 內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部。按永磁體磁化方向與

11、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式二種。日前國內(nèi)外電動車驅(qū)動以采用徑向式結(jié)構(gòu)的居多。（3)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 調(diào)速永磁同步電動機結(jié)構(gòu)示意圖調(diào)速永磁同步電動機結(jié)構(gòu)示意圖l轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2軸承軸承 3端蓋端蓋 4定子繞組定子繞組 5機座機座 6定子鐵心定子鐵心 7，8永磁體永磁體 9轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心 10風扇風扇 11風罩風罩 12位置、速度傳感器位置、速度傳感器 13，14電纜電纜 15專用變頻驅(qū)動器專用變頻驅(qū)動器18自行車電機永磁同步電機結(jié)構(gòu)工業(yè)電機汽車電機三、永磁同步電機的工作原理由于電機定子三相繞組中接入三相對稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，用旋轉(zhuǎn)磁極N、S來模擬。根據(jù)磁極

12、異性相吸、同性相斥的原理，不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁磁極起始相對位置如何定子的旋轉(zhuǎn)磁極總會由于磁拉力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，同步電機轉(zhuǎn)速可表示為:同步同步60 f1pn = n0 = NSSNn0n0電動機狀態(tài)電動機狀態(tài) 三相同步電機的可逆運行三相同步電機的可逆運行NSSNn0n0電動機狀態(tài)電動機狀態(tài)NSSNn0n0理想空載狀態(tài)理想空載狀態(tài)SNn0NSn0發(fā)電機運行發(fā)電機運行三、永磁同步電機的工作原理n1、PMSM的數(shù)學模型ABC、 、：定子三相靜止坐標系：定子兩相靜止坐標系：轉(zhuǎn)子兩相坐標系、d、q 為了簡化和求解數(shù)學模型方程，運用坐標變換理論,通過對同步電動機定子三相靜止坐標軸系的基本方程進 行線性變

13、換，實現(xiàn)電機數(shù)學模型的解耦 。四、永磁同步電機的數(shù)學模型及控制系統(tǒng)：定子電壓：定子電流：定子磁鏈矢量：轉(zhuǎn)子磁鏈矢量：轉(zhuǎn)子角位置：電機轉(zhuǎn)矩角sssfrui假設(shè)： 1)忽略電動機鐵心的飽和； 2)不計電動機中的渦流和磁滯損耗； 3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。 永磁同步電動機在三相定子參考坐標系中的數(shù)學模型可以表達如下：sss sduR idtrjss sfLie定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：32epssTniq1、永磁同步電機的數(shù)學模型、永磁同步電機的數(shù)學模型永磁同步電動機在 坐標系中的數(shù)學模型可以表達如下：sssjsssiiji定子電流：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：32epssssTnii q1、永磁同步電機的數(shù)

14、學模型、永磁同步電機的數(shù)學模型永磁同步電動機在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系d-q中的數(shù)學模型可以表達如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：dds drqduR idt qqs qrdduR idt dddfL iqq qL i3()2enfqdqdqTpiLLi iq1、永磁同步電機的數(shù)學模型、永磁同步電機的數(shù)學模型 （1）開環(huán)控制：）開環(huán)控制：u/f恒定恒定 （2）閉環(huán)控制：）閉環(huán)控制：n矢量控制矢量控制 （70年代）年代）n直接轉(zhuǎn)矩控制（直接轉(zhuǎn)矩控制（80年代）年代）n智能控制智能控制n永磁同步電機控制方式q2、永磁同步電機的控制系統(tǒng)、永磁同步電機的控制系統(tǒng)n永磁同步電動機矢量控制策略與異步電動永磁同步電

15、動機矢量控制策略與異步電動機矢量控制策略有些不同。機矢量控制策略有些不同。n由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴格由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。n因此，在永磁同步電動機上更容易實現(xiàn)矢因此，在永磁同步電動機上更容易實現(xiàn)矢量控制。量控制。 （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略定子電流經(jīng)過坐標變換后轉(zhuǎn)化為兩相定子電流經(jīng)過坐標變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上的電流旋轉(zhuǎn)坐標系上的電流 和和 ，從而，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩

16、 和實現(xiàn)弱磁控制。和實現(xiàn)弱磁控制。FOC中需要測量的量為：定子電流、中需要測量的量為：定子電流、轉(zhuǎn)子位置角轉(zhuǎn)子位置角 dsqsiiq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略eT1、工作原理n以轉(zhuǎn)子磁場定向以轉(zhuǎn)子磁場定向n系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高n控制簡單、具有直流電機的調(diào)速性能控制簡單、具有直流電機的調(diào)速性能n運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小2、FOC特點q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略3、坐標變換（1 1）ClarkeClarke（3s/2s3s/2s）變換）變換3N：三相繞組每相繞組匝數(shù)：兩相繞組每相繞組匝數(shù)各相磁動勢為

17、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)相的坐標軸上。2Nq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在 軸上的投影都應(yīng)相等，因此233332333cos60cos6011()22sin60sin603()2ABCABCBCBCN iN iN iN iN iiiN iN iN iN ii321112233022ABCiiNiiNiq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為2 / 3102133221322C111222333022ABCiii

18、ii3223NN3/2111222333022C坐標系變換矩陣：可得q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有302122ABiiii2031162ABiiii0ABCiii于是q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略d兩個交流電流 和兩個直流電流 ，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢 軸和矢量 都以轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，分量 的長短不變。 軸與 軸的夾角 隨時間變化（2 2）ParkPark（2s/2r2s/2r）變換）變換1sFdqii、dqii、dq、ii、( )SsF i1q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略由圖可見，

19、 和 之間存在下列關(guān)系坐標系變換矩陣：寫成矩陣的形式，得ii、dqii、cossinsincosdqdqiiiiii2 /2cossinsincosddrsqqiiiCiii 2 /2cossinsincosrsC2 /2cossinsincossrCq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略由三組六個開關(guān)（ ）組成。由于 與 、 與 、 與 之間互為反向，即一個接通，另一個斷開，所以三組開關(guān)有 種可能的開關(guān)組合 PWM逆變器模型dUASBSCSASBSCS+-（3 3）電壓空間矢量）電壓空間矢量,ABCABCSSSSSSASASBSBSCSCS 823q （1）PMSM電機的電機的

20、FOC控制策略控制策略若規(guī)定三相負載的某一相與“+”極接通時，該相的開關(guān)狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通時，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)：n電壓狀態(tài)“1”至“6”n零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7” q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略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 ( )su t(001)(101)(011)(100)(110)(010)(000)(111)ssssssssuuuuuuuu、逆變器非零電壓矢量輸出時的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系圖 電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以6個狀態(tài)為一個周期，相電壓幅值為兩種： 和 2/3dU

21、/3dUq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略把逆變器的7個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi)，形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形 q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略選定定子坐標系中的 軸與 矢量復(fù)平面的實軸 重合，則其三相物理量 的 矢量 為： a( )( )( )abcXtXtXt、( )X tParkPark22( )( )( )( )3abcX tXtXtXt120=je式中 復(fù)系數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子，旋轉(zhuǎn)空間矢量 的某個時刻在某軸線 軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。( )X tab

22、c、 、q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略若 三相負載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量 的 矢量變換表達式為 2/3/3adbcduuuuu 011abcSPark2 /34 /32( )3jjsabcu tuu eu e對于狀態(tài)“1” 時；可知abc、 、( )su t則2 /34 /32211(011)()33332233jjsdddjdduuu eu euu eq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略電壓空間矢量的結(jié)論： n逆變器六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差60度；n電壓空間矢量的幅值不

23、變，都等于 ，因此六個電壓空間矢量的頂點構(gòu)成了正六邊形的六個頂點；n六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)；n零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。2/3du(011)(001)(101)(011)(100)(110)ssssssuuuuuuq （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略42永磁無刷電機位置信號永磁同步電機位置信號43永磁無刷電機三相反電動勢與三相電流永磁同步電機三相反電動勢與三相電流n 控制控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出

24、轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。流成正比。 其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性能好，其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，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)控機床、可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。電機運行功率因數(shù)低，電機和逆變器機器人等場合。電機運行功率因數(shù)低，電機和逆變器容量不能充分利用。容量不能充分利用。5、FOC控制方式q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略0di n 控制控制 控制交、直軸電流分量，保持控制交、直軸電流分量，保持PMSMPMSM的功率因數(shù)為的功率因數(shù)為1 1，在在 條件下，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈條件下，電機

25、的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢?，F(xiàn)先增加后減小的趨勢。 可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出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。的最大轉(zhuǎn)矩較小。n最大轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/ /電流比控制電流比控制 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）。制）。 它是凸極它是凸極PMSMPMSM用的較多的一種電流控制策略。當輸出用的較多的一種電流控制策略。當輸出轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。銅耗。q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略c

26、os1cos146Ld=Lq：LdLq：電流極限圓電壓極限橢圓恒轉(zhuǎn)矩曲線永磁同步電機的基本特性 不同的控制策略，可能導致不同的電機；而同一種電機，采取不同的控制策略，則會有不同的效果。 因此，對應(yīng)不同的設(shè)計指標，電磁設(shè)計必須和控制策略匹配，才能總體因此，對應(yīng)不同的設(shè)計指標，電磁設(shè)計必須和控制策略匹配，才能總體上產(chǎn)生一個最佳的效果。上產(chǎn)生一個最佳的效果。矢量控制方矢量控制方法法一、一、Id=0控制控制二、最大轉(zhuǎn)矩二、最大轉(zhuǎn)矩/ /電流控制電流控制三、弱磁控制三、弱磁控制四、最大輸出功率控制四、最大輸出功率控制emm qdqd q2m sdq3()231 sin()sin2 22sTpiLL i

27、ipILL I永磁電機的永磁電機的dq軸旋轉(zhuǎn)坐標系軸旋轉(zhuǎn)坐標系5、FOC控制方式控制方式（1） Id=0控制（磁場定向控制） 控制是矢量控制中的一個特殊的控制方法，從電動機端口看，相當于一臺他勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，即 =90 ，電機轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。d0I 例如：表貼式永磁同步電機。例如：表貼式永磁同步電機。2emm sdq31sin()sin2 22sTpILL I磁場定向控制時的相量圖磁場定向控制時的相量圖o90emm s32TpI為什么表貼式永磁電機都適合用這種控制方式為什么表貼式永磁電機都適合用這種控制方式？表貼式永磁

28、電機的交直軸電感相等，表貼式永磁電機的交直軸電感相等，不可能有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。不可能有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。適用于恒速運行，以及調(diào)速范圍要求不高的場合。適用于恒速運行，以及調(diào)速范圍要求不高的場合。（2） 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制SPM電機的定子電流矢量軌電機的定子電流矢量軌跡跡m qdqd qem223 ()2sdqpiLL i iTIiiemsdemsq/0/0TiiTii表貼式永磁電機： Ld=Lq可推出結(jié)論：Id=0 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數(shù)表貼式永磁電機）來說，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id0控制。電

29、流矢量應(yīng)電流矢量應(yīng)滿足的兩條滿足的兩條件件SPM電機電機50（2）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制IPM電機的定子電流矢量軌跡電機的定子電流矢量軌跡m qdqd qem223 ()2sdqpiLL i iTIiiemsdemsq/0/0TiiTii 最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數(shù)表貼式永磁電機）來說，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id0控制。電流矢量應(yīng)電流矢量應(yīng)滿足的兩條滿足的兩條件件2222mmdqdd4121L LiL其中為電機的凸極率， =Lq/LdIPM電機電機51（3）弱磁控制 弱磁控制的思想來自于他勵直流

30、電動機的調(diào)磁控制（通過降低他勵直流電動機的勵磁電流大小，可拓寬其轉(zhuǎn)速范圍）。 而對于永磁同步電機來說，勵磁磁場是永磁體產(chǎn)生，無法進行調(diào)節(jié)，只而對于永磁同步電機來說，勵磁磁場是永磁體產(chǎn)生，無法進行調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。的平衡，達到弱磁擴速的目的。22d qd dm()uL iL i 不難發(fā)現(xiàn)，在同一電流極限圓上的A點和C點，轉(zhuǎn)矩也一致，但轉(zhuǎn)速卻是C點更高。 還有，如果按照最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在轉(zhuǎn)速為時只能做到Tem2大小的功率（B點），但是通過做弱磁控

31、制，增大電機的直軸去磁電流，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場，可以增大電機的輸入電流使轉(zhuǎn)矩提高到Tem1(C點)達到了弱磁擴速的目的。弱磁控制弱磁控制非弱磁控制非弱磁控制6、FOC的組成（1 1）SVPWMSVPWM模塊。采用先進的調(diào)制算法以模塊。采用先進的調(diào)制算法以 減少電流諧波、提高直流母線電壓減少電流諧波、提高直流母線電壓 利用率；利用率；（2 2）電流讀取模塊。通過精密電阻或電）電流讀取模塊。通過精密電阻或電 流傳感器測量定子電流；流傳感器測量定子電流；q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略（3 3）轉(zhuǎn)子速度）轉(zhuǎn)子速度/ /位置反饋模塊。采用霍爾位置反饋模塊。采用霍爾 傳感器或

32、增量式光電編碼器來準確傳感器或增量式光電編碼器來準確 獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可 采用無傳感器檢測算法進行測量；采用無傳感器檢測算法進行測量；（4 4）PIDPID控制模塊；控制模塊；（5 5）ClarkClark、ParkPark及及Reverse ParkReverse Park變換模變換模 塊。塊。q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略7、FOC原理圖q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略r（1 1）將電流讀取模塊測量的相電流）將電流讀取模塊測量的相電流 和和 ， 經(jīng)過經(jīng)過ClarkClark變換將其從三相靜止坐標系變變換將其

33、從三相靜止坐標系變 換到兩相靜止坐標系換到兩相靜止坐標系 和和 ；（2 2） 和和 與轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)子位置 結(jié)合，經(jīng)過結(jié)合，經(jīng)過ParkPark變換變換 從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 和和 ；（3 3）轉(zhuǎn)子速度）轉(zhuǎn)子速度/ /位置反饋模塊將測量的轉(zhuǎn)子角位置反饋模塊將測量的轉(zhuǎn)子角 速度速度 與參考轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速 進行比較，并通過進行比較，并通過PIPI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ；q （1）PMSM電機的電機的FOC控制策略控制策略biaiiiiidiqir*r*qsirel（4 4）交、直軸參考電流）交、直軸參考電流 與實際反饋的交、與實際反饋的交、 直軸電流直軸電流 進行比較，取直軸參考電流進行比較，取直軸參考電流 為為0 0。再經(jīng)過。再經(jīng)過PIPI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 和和 ；（5 5）電壓）電壓 和和 與檢測到的轉(zhuǎn)子角位置與檢測到的轉(zhuǎn)子角位置 相結(jié)相結(jié) 合進行反合進行反ParkPark變換，變換為兩相靜止坐標變換，變換為兩相靜止坐標 系的電壓系的電壓 和和 ；（6 6）電壓）電壓 和和 經(jīng)過經(jīng)過SVPWMSVPWM模塊調(diào)制為六路開模塊調(diào)制為六路開 關(guān)信號從而控制三相逆變器的開通與關(guān)關(guān)信號從而控制三相逆變器的開通與關(guān) 斷。斷。 q （1）PMS