永磁同步電機工作原理

關(guān)于永磁同步電機工作原理第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二PMSM和BLDC電機的特點優(yōu)點

（1）功率密度大；（2）功率因數(shù)高（氣隙磁場主要或全部由轉(zhuǎn)子磁場提供）；（3）效率高（不需要勵磁，繞組損耗?。唬?）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，維護簡單；（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。第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二缺點

（1）價格較高；（2）弱磁能力低；（3）起動困難，高速制動時電勢高，給逆變器帶來一定的風險；（4）他控式同步電機有失步和震蕩的可能性。

PMSM和BLDC電機的特點第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二PMSM和BLDC電機的應(yīng)用范圍軟、硬磁盤驅(qū)動器、錄像機磁鼓（視頻磁頭）和磁帶伺服系統(tǒng)

體積小、容量小、控制精度高機床、機器人等數(shù)控系統(tǒng)

快速性好、定位（速度和位置）精度高、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二交通運輸

電動自行車、電動汽車、混合動力車、城軌車輛、機車牽引家用電器

冰箱、空調(diào)等（單位體積功率密度高、體積?。㏄MSM和BLDC電機的應(yīng)用范圍第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二rrggbbNS⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕模擬結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

霍爾傳感器定子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵實物結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二定子

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稱分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。采用永磁體簡化了電機的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機的效率。

PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二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，擴速能力受到限制PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二（2）內(nèi)埋式（IPMSM）交直軸電感:Lq>Ld氣隙較小，有較好的弱磁能力PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二無刷直流電機永磁體的弧極為180度，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場呈梯形波分布，線圈內(nèi)感應(yīng)電動勢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電機的結(jié)構(gòu)第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二正弦波永磁同步電機永磁體表面設(shè)計成拋物線，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正弦波PMSM和BLDC電機的結(jié)構(gòu)第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二PMSM的數(shù)學模型：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

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換，實現(xiàn)電機數(shù)學模型的解耦。PMSM和BLDC電機的工作原理：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)矩角第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二假設(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：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機的工作原理第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二永磁同步電動機在標系中的數(shù)學模型可以表達如下：定子電流：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機的工作原理第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二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：PMSM和BLDC電機的工作原理第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二每一瞬間有兩個功率開關(guān)導通，每隔60度換相一次，每次換相一個功率開關(guān)，每個功率開關(guān)導通120度電角度。導通順序為（1）兩兩通電方式PMSM和BLDC電機的工作原理BLDC電機控制方式全控橋兩兩通電電路原理圖第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二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電機的工作原理

導通時合成轉(zhuǎn)矩導通是合成轉(zhuǎn)矩c)兩兩通電時合成轉(zhuǎn)矩Y聯(lián)結(jié)繞組兩兩通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二每一瞬間有三個功率開關(guān)導通，每隔60度換相一次，每個功率開關(guān)導通180度電角度。導通順序為（2）三三通電方式PMSM和BLDC電機的工作原理Y聯(lián)結(jié)三三通電方式的控制原理圖第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二Y聯(lián)結(jié)三三通電方式相電壓和線電壓波形PMSM和BLDC電機的工作原理三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖

導通時合成轉(zhuǎn)矩導通是合成轉(zhuǎn)矩c)三三通電時合成轉(zhuǎn)矩

第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二BLDC電機穩(wěn)定運行機械特性方程（3）BLDC電機運行性能和傳遞函數(shù)：電機轉(zhuǎn)速（r/min）；：電源電壓（V）；：功率開關(guān)壓降（V）；：電動勢系數(shù)；：電動機產(chǎn)生的電動轉(zhuǎn)矩平均（N.m）;：轉(zhuǎn)矩系數(shù)；：電動機的內(nèi)阻（）。PMSM和BLDC電機的工作原理第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二BLDC電機的動態(tài)特性方程：電動機負載阻轉(zhuǎn)矩；：電動機轉(zhuǎn)子飛輪力矩（），（為轉(zhuǎn)動慣量）PMSM和BLDC電機的工作原理第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二BLDC電機傳遞函數(shù)：電動勢傳遞系數(shù)，：轉(zhuǎn)矩傳遞系數(shù)，：電磁時間常數(shù)，BLDC電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖PMSM和BLDC電機的工作原理第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

（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）永磁同步電機控制方式PMSM和BLDC電機的工作原理第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二定子電流經(jīng)過坐標變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上的電流和，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和實現(xiàn)弱磁控制。FOC中需要測量的量為：定子電流、轉(zhuǎn)子位置角

PMSM電機的FOC控制策略1、工作原理第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二以轉(zhuǎn)子磁場定向系統(tǒng)動態(tài)性能好，控制精度高控制簡單、具有直流電機的調(diào)速性能運行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動很小2、FOC特點PMSM電機的FOC控制策略第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

控制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，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，電機和逆變器容量不能充分利用。3、FOC控制方式PMSM電機的FOC控制策略第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二

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，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。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。當輸出轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。PMSM電機的FOC控制策略第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二4、坐標變換（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)各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標軸上。PMSM電機的FOC控制策略第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二設(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PMSM電機的FOC控制策略第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為坐標系變換矩陣：可得PMSM電機的FOC控制策略第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有于是PMSM電機的FOC控制策略第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二兩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）Park（2s/2r）變換PMSM電機的FOC控制策略第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二由圖可見，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PMSM電機的FOC控制策略第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二由三組六個開關(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（3）電壓空間矢量

PMSM電機的FOC控制策略第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二若規(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)：電壓狀態(tài)“1”至“6”零電壓關(guān)狀態(tài)“0”和“7”

PMSM電機的FOC控制策略第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二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PMSM電機的FOC控制策略第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二把逆變器的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60o角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形

PMSM電機的FOC控制策略第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二選定定子坐標系中的軸與矢量復平面的實軸重合，則其三相物理量的矢量為：

式中——復系數(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。PMSM電機的FOC控制策略第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二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

對于狀態(tài)“1”時；可知則PMSM電機的FOC控制策略第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二電壓空間矢量的結(jié)論：

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；電壓空間矢量的幅值不變，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；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)；零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。PMSM電機的FOC控制策略第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二5、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電機的FOC控制策略第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二說明：交軸電流和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，而直軸電流對轉(zhuǎn)矩沒有影響。如果為電機額定電流，當時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩（）。磁鏈轉(zhuǎn)矩方程PMSM電機的FOC控制策略第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二6、FOC的組成（1）SVPWM模塊。采用先進的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率；（2）電流讀取模塊。通過精密電阻或電流傳感器測量定子電流；PMSM電機的FOC控制策略第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二（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確獲取轉(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；（4）PID控制模塊；（5）Clark、Park及ReversePark變換模塊。PMSM電機的FOC控制策略第四十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二7、FOC原理圖PMSM電機的FOC控制策略第四十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期二（1）將電流讀取模塊測量的相電流和，經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系和；（2）和與轉(zhuǎn)子位置結(jié)合，經(jīng)過Park