永磁同步电机工作原理及其控制策略教程文件.ppt

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1、永磁同步电机工作原理及其控制策略缺点（1）价格较高；（2）弱磁能力低；（3）起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带来一定的风险；（4）他控式同步电机有失步和震荡的可能性。PMSM和BLDC电机的特点PMSM和BLDC电机的应用范围软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓（视频磁头）和磁带伺服系统体积小、容量小、控制精度高机床、机器人等数控系统快速性好、定位（速度和位置）精度高、起动转矩大、过载能力强交通运输电动自行车、电动汽车、混合动力车、城轨车辆、机车牵引家用电器冰箱、空调等（单位体积功率密度高、体积小）PMSM和BLDC电机的应用范围rrggbbNS⊙⊙⊙

2、⊕⊕ACBZYX⊕模拟结构图PMSM和BLDC电机的结构霍尔传感器定子绕组转子磁铁实物结构图PMSM和BLDC电机的结构定子定子绕组一般制成多相（三、四、五相不等），通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差120度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。PMSM和BLDC电机的结构转子转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作为永磁材料。采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。PMSM和BLDC电机的结构PMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表面贴装式（SM-PMSM）直交轴电感Ld和Lq相同气隙较大，弱

3、磁能力小，扩速能力受到限制PMSM和BLDC电机的结构（2）内埋式（IPMSM）交直轴电感:Lq>Ld气隙较小，有较好的弱磁能力PMSM和BLDC电机的结构无刷直流电机永磁体的弧极为180度，永磁体产生的气隙磁场呈梯形波分布，线圈内感应电动势亦是交流梯形波定子绕组为Y或联结三相整距绕组由于气隙较大，故电枢反应很小PMSM和BLDC电机的结构正弦波永磁同步电机永磁体表面设计成抛物线，极弧大体为120度定子绕组为短距、分布绕组定子由正弦波脉宽调制（SVPWM）的电压型逆变其供电，三相电流为正弦或准正弦波PMSM和BLDC电机的结构PMSM的数学模型：定

4、子三相静止坐标系：定子两相静止坐标系：转子两相坐标系为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦。PMSM和BLDC电机的工作原理：定子电压：定子电流：定子磁链矢量：转子磁链矢量：转子角位置：电机转矩角假设：1)忽略电动机铁心的饱和；2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；3)转子无阻尼绕组。永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学模型可以表达如下：定子电压：定子磁链：电磁转矩：PMSM和BLDC电机的工作原理永磁同步电动机在坐标系中的数学模型可以表达如下：定子电流：定

5、子磁链：电磁转矩：PMSM和BLDC电机的工作原理永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模型可以表达如下：定子电压：定子磁链：电磁转矩：PMSM和BLDC电机的工作原理每一瞬间有两个功率开关导通，每隔60度换相一次，每次换相一个功率开关，每个功率开关导通120度电角度。导通顺序为（1）两两通电方式PMSM和BLDC电机的工作原理BLDC电机控制方式全控桥两两通电电路原理图将三只霍尔集成电路按相位差120度安装，产生波形如图所示。PMSM和BLDC电机的工作原理导通时合成转矩导通是合成转矩c)两两通电时合成转矩Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量

6、图每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相一次，每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为（2）三三通电方式PMSM和BLDC电机的工作原理Y联结三三通电方式的控制原理图Y联结三三通电方式相电压和线电压波形PMSM和BLDC电机的工作原理三三通电时的合成转矩矢量图导通时合成转矩导通是合成转矩c)三三通电时合成转矩BLDC电机稳定运行机械特性方程（3）BLDC电机运行性能和传递函数：电机转速（r/min）；：电源电压（V）；：功率开关压降（V）；：电动势系数；：电动机产生的电动转矩平均（N.m）;：转矩系数；：电动机的内阻（）。PMSM和BLDC电

7、机的工作原理BLDC电机的动态特性方程：电动机负载阻转矩；：电动机转子飞轮力矩（），（为转动惯量）PMSM和BLDC电机的工作原理BLDC电机传递函数：电动势传递系数，：转矩传递系数，：电磁时间常数，BLDC电动机动态结构图PMSM和BLDC电机的工作原理（1）开环控制：u/f恒定（2）闭环控制：矢量控制（70年代）直接转矩控制（80年代）永磁同步电机控制方式PMSM和BLDC电机的工作原理定子电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐标系上的电流和，从而调节转矩和实现弱磁控制。FOC中需要测量的量为：定子电流、转子位置角PMSM电机的FOC控制策略1、工

8、作原理以转子磁场定向系统动态性能好，控制精度高控制简单、具有直流电机的调速性能运行平稳、转矩脉动很小2、FOC特点PMSM