PMSM同步電動機(jī)矢量控制.ppt

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1、March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng) 簡介 8.1 勵磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型 8.2 勵磁同步電動機(jī)矢量控制 8.3 永磁同步電動機(jī)矢量控制 8.4 同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測 8.1.1 勵磁同步電動機(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 勵磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型 8.1.1 勵磁同步電動機(jī)的特點(diǎn) 同步電動機(jī)與異步電動機(jī)之間主要差別： （ 1）定子電源的頻率與同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速之間存在著確定的關(guān)系 。 （ 2）同步電動機(jī)可以在任何功率因數(shù)（超前、滯后或者 1）下運(yùn)行。 （ 3）勵磁同步

2、電動機(jī)的轉(zhuǎn)子可能為凸極或隱極結(jié)構(gòu)，在分析時不得不采用雙反應(yīng)原理。 （ 4）勵磁同步電動機(jī)電磁關(guān)系變得十分復(fù)雜。 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 1160nfp N S B A C d q fi Di Qi 圖 8-1 是凸極勵磁同步電機(jī)的示意圖 圖 8-1是凸極勵磁同步電機(jī)的示意 圖。 按照電動機(jī)慣例規(guī)定的正方向， 可列出 ABC坐標(biāo)系下同步電動機(jī) 1.磁鏈方程 2.電壓方程 3.轉(zhuǎn)矩方程。 8.1.2 在 ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 下面先對定、轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感進(jìn)行定 義： 對于理想的凸極同步電動機(jī)，以直軸作 為坐標(biāo)原點(diǎn) O時，在距離原點(diǎn)的 電角 度處

3、，單位面積的氣隙磁導(dǎo) 可以表示為 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 02 c o s 2m m m 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。 0m 2m O 0m 2m d q 軸q 軸d 軸q （ 8-5） 圖 8-2 凸極同步電動機(jī)的單位面積氣隙磁導(dǎo) March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 設(shè) 為轉(zhuǎn)子直軸與定子 A相軸線間的夾角，仿照異步電動機(jī)中自感的定義方法， 勵磁凸極同步電動機(jī)三相定子繞組的自感為 02 02 02 c os 2 c os 2( 12 0 ) c os 2( 12 0 ) AA s s o

4、 BB s s o C C s s L L L L L L L L L 勵磁凸極同步電動機(jī)三相定子繞組之間的互感為 02 02 02 c os 2( 120 ) c os 2 c os 2( 120 ) o A B B A m m B C C B m m o C A A C m m L L L L L L L L L L L L （ 8-6） （ 8-7） 上式中， 0sL 為電感的恒定分量， 2sL 為電感的二次諧波幅。 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 若氣隙磁場呈正弦分布，則定子繞組與轉(zhuǎn)子勵磁繞組、直軸阻尼繞組、 交軸阻尼繞組之間的互感為 c o s

5、c o s ( 1 2 0 ) c o s ( 1 2 0 ) A f fA s f o B f fB s f o C f fC s f L L L L L L L L L （ 8 - 8 ） c o s c o s ( 1 2 0 ) c o s ( 1 2 0 ) A D DA s D o B D DB s D o C D DC s D L L L L L L L L L ( 8 - 9) s i n s i n( 12 0 ) s i n( 12 0 ) AQ QA sQ o BQ QB sQ o C Q QC sQ L L L L L L L L L （ 8 - 10 ） 式中， sf

6、L 、 sDL 、 sQL 分別為定子一相繞組與轉(zhuǎn)子各繞組間互感的幅值。 由于轉(zhuǎn)子勵磁繞組與阻尼繞組同在轉(zhuǎn)子上，相互之間保持相對靜止，且 與 角無關(guān)，所以它們的自感和互感都保持常數(shù)值。 = = = A A A A A B B A C C A f f A D D A Q Q B B A A B B B B C C B f f B D D B Q Q C C A A C B B C C C C f f C D D C Q Q f fA A fB B fC C ff f fD D D D A A D B B D C C D f f D D D Q Q A A Q B B Q C C L i L i

7、L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L i L Q Q Q i 1. 磁鏈方程 (8-1) March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 用矩陣形式表示時，可以寫成 0 0 00 A A A A B A C A f A D A Q A B B A B B B C B f B D B Q B C CA CB CC Cf CD CQ C f fA fB fC ff fD f D D A D

8、 B D C D f D D D Q Q A Q B Q C Q Q Q L L L L L L i L L L L L L i L L L L L L i L L L L L i L L L L L i L L L L i (8 - 2) 或 s s rss r s rrr LL i = LL i （ 8 - 3 ） 或 Li （ 8 - 4 ） March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 2.電壓方程 同步電動機(jī)定子三相繞組的電壓方程為： 式中 ， 分別為定子各相的端電壓； 為定子每相的電阻。 A A s A B B s B C C s C d u R i dt

9、d u R i dt d u R i dt A B Cuuu、 、 sR 勵磁繞組和阻尼繞組的電壓方程為： 式中， 為勵磁繞組所加的電壓；阻尼繞 組自身為短路，故其端電 0； 、 、 分別為勵磁繞組和直軸、交軸阻尼繞組 的電阻。 0 0 f f f f D DD Q QQ d u R i dt d Ri dt d Ri dt fu fR DR QR (8-11) (8-12) March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 寫成矩陣形式。定義微分算子 ，則有 P=ddt P P s s s s r r r r u R i u R i 或 Pu Ri 式中， 和 分別為定、

10、轉(zhuǎn)子繞組的電壓列矩陣； 為整個 電機(jī)的電壓列矩陣； 和 為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻矩陣； 為整個電機(jī)的電阻矩陣。 su ru u sR rR R （ 8-13） （ 8-14） March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 3. 轉(zhuǎn)矩方程 參照異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的推導(dǎo)方法，得 222 2 2 111 222 sin 2 CC B C CAA A B B A B A B C A B B C C A A f B f Cf CDA D B D A f B f C f A D B D C D A Q B Q CQ A Q B Q C Q sA L L LL L L T p i i i

11、 i i i i i i L L L LLL p i i i i i i i i i i i i L L L i i i i i i pL i 22 sin( 2 12 0 ) sin( 2 12 0 ) 2 sin( 2 12 0 ) 2 sin 2 2 sin( 2 12 0 ) sin sin( 12 0 ) sin( 12 0 ) sin sin( 12 0 ) sin( 12 0 ) c os c os( 12 0 ) c os( o o o B C A B o o o B C C A s f f A B C oo s D D A B C o s Q Q A B C i i i i

12、i i i i pL i i i i pL i i i i pL i i i i 12 0 ) 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。 同步電動機(jī)運(yùn)動方程與異步電動機(jī)相同。 （ 8-15） March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 8.1.3 在 d q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，基波合成磁動勢保持不變，氣隙磁 場保持不變，漏磁場也互相等效。 1. 磁鏈方程 勵磁同步電動機(jī)經(jīng)過等效變換后， 定轉(zhuǎn)子在 dq坐標(biāo)系下

13、的磁鏈方程為 0 0 0 3 2 3 2 3 2 d d d sf f sD D q q q sQ Q f sf d ff f fD D D sD d D f f D D D Q sQ q Q Q Q L i L i L i L i L i Li L i L i L i L i L i L i L i L i 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)過等效變換后，電感值為 dL qL 0L 0 0 2 0 0 2 0 0 0 3 2 3 - 2 -2 d s m s q s m s sm L L L L L L L L L L L （ 8-16） （ 8-17）

14、 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 將式（ 8 - 16 ）寫成矩陣形式，為 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 0 0 2 3 0 0 0 0 2 d s f s D q s Q dd qq s f ff fD ff DD s D D f D D QQ s Q Q Q L L L LL i L i i L L L i i L L L i LL （ 8 - 18 ） 從式（ 8 - 18 ）可以看出，經(jīng)過坐標(biāo)變換后 1. 定子和轉(zhuǎn)子所有的自感和互感都變成了常數(shù)； 2. 且定子 d 軸和 q 軸繞組間的互感都變

15、成 0 ，轉(zhuǎn)子不再與 角有關(guān)； 3. 零軸繞組與 dq、 軸繞組之間也沒有互感。在 dq 坐標(biāo)系下的各磁鏈之間 關(guān)系完全進(jìn)行了解耦。 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 2 . 電壓方程 參照異步電動機(jī)的坐標(biāo)變化原理，勵磁同步電動機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的定 子電壓方程為 0 0 0 d s d d q q s q q d s u R i P u R i P u R i P （ 8 - 19 ） 從上式可以看出，定子直軸和交軸電壓方程中，除了產(chǎn)生變壓器電勢 dP 和 qP 外，還會在與其正交的 q 軸和 d 軸繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢 q 和 d 。 轉(zhuǎn)子勵磁繞組電壓方

16、程為 f f f fu R i P （ 8 - 20 ） 由于阻尼繞組為自閉環(huán)電路，所以端電壓為零，其電壓方程為 0 0 D D D Q Q Q R i P R i P （ 8 - 21 ） March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 將 d q 坐標(biāo)系下的磁鏈方程式代入上面三個式中，則電壓方程變換為 0 00 - 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 02 3 0 0 0 02 0 3 0 0 0 02 q s f s Qs d s D s q s f s Qd s D dd sqq sf f ff fD ff DsD fD D D D Q sQ Q Q Q L

17、L P LR L P L P R L P L L PLL ui R L P LP R L P L P ui iLP LP R L P i LP R L P 從上式可以看出，經(jīng)過等效變換后，當(dāng)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 等于 恒定值，且不計(jì)磁飽影響時，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） March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 3.電磁轉(zhuǎn)矩方程 利用交流電動機(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 Ai Bi Ci di qi 0i 0 1 c o s

18、sin 2 21 c o s( 1 2 0 ) sin ( 1 2 0 ) 3 2 1 c o s( 1 2 0 ) sin ( 1 2 0 ) 2 dA Bq C ii ii i i 將上式中的 、 、 用 、 、 代替，則電磁轉(zhuǎn)矩可表示為 A i Bi Ci di qi 0i ()d q q dT p i i （ 8-23） （ 8-24） 8.2.1 勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈定向控制 8.2.2 勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈模型 8.2.3 勵磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng) 8.2 勵磁同步電動機(jī)矢量控制 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 在同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中

19、，常用 氣隙磁鏈定向 和 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，降低了同步電動機(jī)的使用容量。同時也造成 了電動機(jī)功率因數(shù)的下降，這對于同步電動機(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機(jī)均采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制方法，大型勵 磁同步電動機(jī)矢量控制均采用氣隙磁鏈定向的控制方法。 8.2.1 勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈定向控制 1. 同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 2. 同步電動機(jī)氣隙磁鏈 3. 同步電動機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響 March 31,

20、 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 1. 同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 ()xm s gTp i 0 gM g gT 氣隙磁鏈空間矢量為 g g M g T gj （ 8-25） （ 8-26） （ 8-27） 仿照異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式，根據(jù)式（ 8 - 24 ），若用氣隙磁鏈空 間矢量 g 和定子電流空間矢量 si 來表示的同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，則 為： 根據(jù)矢量控制原理，如果將氣隙磁鏈空間矢量 g 的方向定向到 MT 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的 M 軸上，則 g 在 MT 坐標(biāo)系中的 M 軸分 量和 T 軸分量為： March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 定

21、子電流空間矢量也沿 M、 T軸分解為兩個分量： s sM sTi jii 通過以上三個式子，可得同步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩： ( ) ( ) e m s M s T gM gT s T gT p i ji j p i （ 8-28） （ 8-29） 上式表明： 1. 在氣隙磁鏈定向的 MT 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，同步電動機(jī)的電磁 轉(zhuǎn)矩與氣隙磁鏈和定子電流 T 軸分量之積成比例。 2. 由于 g 與 sTi 垂直，兩者是解耦的，因此可以獨(dú)立地用 g 和 sTi 控制 電磁轉(zhuǎn)矩。 3. 如果保持 g 恒定，則 e s TTi ，所以稱 sTi 為定子電流空間矢量的轉(zhuǎn)矩 分量。同步電動機(jī)的矢量控制就是保持 g

22、恒定，通過定子電流的 轉(zhuǎn)矩分量以實(shí)現(xiàn)高精度快速的轉(zhuǎn)矩控制。 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 2. 同步電動機(jī)氣隙磁鏈 T M ggisifiA d1 11fs suse sR sislX si g s f （ 8-30） 圖 8-3 M T坐標(biāo)系同步電機(jī)矢量圖 為了便于分析問題，假設(shè)忽略同步 電動機(jī)凸極效應(yīng)、阻尼繞組效應(yīng)和磁路 飽和的影響，則按氣隙磁鏈定向的同步 電動機(jī)空間矢量圖可畫成如圖 8 - 3 所 示。圖中 s 是定子三相合成磁鏈空間矢 量， f 是勵磁繞組的磁鏈空間矢量，則 氣隙磁鏈空間矢量為 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和

23、而不同 居安思危 g s fi i i g g gL i （ 8-31） （ 8-32） 上述三個磁鏈空間矢量在空間都以同步角速度 1 旋轉(zhuǎn)，保持相對靜 止。不計(jì)凸極效應(yīng)和磁路飽和影響時 （ 1 ） s 與定子電流空間矢量 si 的幅值成正比，且相位一致； （ 2 ） f 與勵磁繞組電流空間矢量 fi 的幅值成正比，且相位一致； si 和 fi 的合成矢量為 顯然， gi 與氣隙磁鏈空間矢量 g 也應(yīng)當(dāng)是幅值成正比，且相 位一致。當(dāng)定義 gi 為同步電動機(jī)的磁化電流時，則 g 就是由 gi 產(chǎn)生 的。 g 與 gi 關(guān)系可寫成 因此可以通過控制 si 及 fi 來控制 gi ，以保持 g 恒定

24、。 將定子電流空間矢量 si 和勵磁電流空間矢量 fi 在 MT 坐標(biāo)系中進(jìn)行分 解后，為： c os s i n s i n c os c os s i n sM s s sT s s fM f fT f i i i i i i ii ii （ 8-33) dM siT sMi fMi fTisT i gi fi 圖 8-4 分解為 M T分量 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 定子電流 si 、勵磁電流 fi 和磁化電流 gi 在 MT 坐標(biāo)系中的關(guān)系如圖 8 - 4 所示。 磁化電流矢量的幅值為 g fM sMi i i 可見 fMi 和 sMi 都影

25、響 gi ，而 sMi 除了影響 gi 外還影響電動機(jī)的功率因數(shù) c o s 。 （ 1 ）定子電流磁化分量 sMi 的求解 （ 2 ）勵磁電流 fi 的求解 (8-34) March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 （ 1 ）定子電流磁化分量 sMi 的求解 設(shè)勵磁同步電動機(jī)定子電壓矢量 su 與定子電流矢量 si 之間的夾角為 s ，則 cos s 稱為外功率因數(shù)。設(shè)反電勢矢量 se 與電流矢量 si 之間的夾角為 ， 則 c o s 稱為內(nèi)功率因數(shù)。從式（ 8 - 33 ）可得 tan sM sT i i 對于勵磁同步電動機(jī)，一般情況下 s 和 都很小，根據(jù)三角

26、函數(shù)可 得 ta n ta nta n( ) ta n ta n 1 ta n ta nsss s 當(dāng)忽略定子電阻時，由圖 8-3可得 t a n ( ) s l s ls s T s T sg LLii e (8-35) (8-36) （ 8-37) March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 將式 (8 - 3 5 ) 和式 (8 - 37) 代入 (8 - 3 6 ) 中，整理后 sMi 為 ( t a n )sls M s s T s T g Li i i 從上式可以看出，只要給定功率因數(shù) *c os ，并使其 *c os c os s ，則根據(jù)式 （ 8 -

27、 38 ）就可計(jì)算出 定子磁化電流分量的 給定值 sMi 。 如果忽略定子電阻和漏抗的影響時，定子電壓矢量 su 與 反電勢矢量 se 重合， s ，則定子磁化電流分量 sMi 的給定值 sMi 可 簡化為 ta nsM sTii (8-38) （ 8-39） March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 （ 2 ）勵磁電流 fi 的求解 勵磁電流 fi 的求解有兩種方法。 第一種方法： sMi 確定后，根據(jù)圖 8 - 4 的 fT s Tii ，可以得勵磁電流的給定值 2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( )f fM fT g s M s Ti i i i i i

28、 在同步旋轉(zhuǎn)的 MT 坐標(biāo)中， gi 由氣隙 給定值 g 確定； sMi 由所需功率因數(shù)按式 （ 8 - 39 ） 求得， sTi 則是來自速度調(diào)節(jié)器 的輸出。已知 gi 、 sMi 及 sTi 就能按 （ 8 - 40 ） 計(jì)算出保持 g 恒定的勵磁電流給定值 fi 。 dMsi T sMi fMi fTisTi gifi (8-40) 圖 8-4 分解為 M T分量 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 第二種方法： 根據(jù)圖 8-4，勵磁電流為 c o s c o sfM g sMf i i ii 為轉(zhuǎn)子與 MT 坐標(biāo)系中 M 軸的夾角，也是同步電動機(jī)的功率

29、角 。 可 通過下式求得 1 1 1 1 1 1 s i n s i n ( ) s i n c o s c o s s i n c o s c o s ( ) s i n s i n c o s c o s 如果要求 功率因數(shù) co s 1 ，則 0sMi ，勵磁電流表達(dá)式 （ 8 - 41 ） 可寫成 c os c osfM gf iii (8-41) (8-42) (8-43) March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 3 . 同步電動機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響 同步電動機(jī)凸極效應(yīng)是由于凸極同步電動機(jī)直軸和交軸磁路不對稱， 導(dǎo)致氣隙磁鏈和磁化電流的變化。若定子

30、電流空間矢量為 si ，勵磁電流空 間矢量為 fi ，磁化電流空間矢量為 gi ，則在轉(zhuǎn)子 dq 坐標(biāo)系中，三者之間關(guān) 系為 （ 8 - 44 ） 上式中，由于勵磁電流空間矢量 fi 在轉(zhuǎn)子 d 軸上，所以 fd fii ， 0fqi 。 如果磁化電流空間矢量 gi 產(chǎn)生氣隙磁鏈空間矢量 g ，則 g 在轉(zhuǎn)子 dq 坐標(biāo)系 中的分量為 （ 8 - 45 ） 式中 gdL 、 gqL 是 d 軸和 q 軸的同步電抗。 gd fd sd f sd gq fq sq sq i i i i i i i i i gd gd gd gq gq gq Li Li March 31, 2021 行勝于言 敢為

31、人先 和而不同 居安思危 對于隱極同步電動機(jī)，由于直軸和交軸磁路對稱， g d g q gL L L ，將其帶 入（ 8 - 45 ） 中，則氣隙磁鏈在 d 軸和 q 軸分 量為 （ 8 - 46 ） 由此可得 （ 8 - 47 ） 根據(jù)上式，若 g 按照 M 軸定向，則 gi 也位于 M 軸上。氣隙磁 鏈空間矢量 g 和磁化電流空間矢量 gi 方向一 致，如圖 8 - 5 所示。 gd g gd gq g gq Li Li gd gd gq gq i i March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 d q Mgigdi gqi si fi T g 圖 8-5 隱極同

32、步電 動機(jī)電流矢量圖 d q Mgigdi gqi si fi T g 圖 8-6 凸極同步電動 機(jī)電流矢量圖 對于凸極同步電動機(jī)，由 于直軸和交軸磁路不對稱，交 軸氣隙大于直軸氣隙，使得交 軸磁導(dǎo)小于直軸磁導(dǎo)，從而使 g q g dLL 。根據(jù)式 （ 8 - 45 ） 可得 gd gd gq gq i i （ 8 - 48 ） 根據(jù)上式，若 g 按照 M 軸定 向，則 gi 不在 M 軸上。氣隙磁 鏈空間矢量 g 和磁化電流空 間矢量 gi 方向不一致，如圖 8 - 6 所示。 March 31, 2021 行勝于言 敢為人先 和而不同 居安思危 同步電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)干擾或負(fù)載

33、擾動等動態(tài)變化時， 轉(zhuǎn)子與氣隙磁鏈之間有相對運(yùn)動。由于轉(zhuǎn)子中存在阻尼繞組，使得阻尼繞組 中感應(yīng)出的阻尼電流 Ddi 阻礙磁鏈變化，導(dǎo)致磁鏈滯后于磁化電流，所以在式 （ 8 - 45 ） 的基礎(chǔ)上增加滯后部分。 1 1 gd g d g d Dd gq g q g q Dq L i Ts L i Ts （ 8 - 4 9 ） 式中， DdT 和 DqT 為 d 軸和 q 軸阻尼繞組開路時間常數(shù)，其值為 1 1 gd D dl Dd Dd gq D ql Dq Dq XX T R XX T R （ 8 - 50 ） 式中， D d lX 、 D qlX 為 d 軸和 q 軸阻尼繞組的漏抗； DdR

34、 、 DqR 為 d 軸和 q 軸阻尼 繞組的電阻。 轉(zhuǎn)子中阻尼電流為 1 ( 1 ) 11 1 ( 1 ) 11 Dd D d g d g d D d D d Dq D q g q g q D q D q Ts i i i T s T s Ts i i i T s T s （ 8 - 5 1 ） 同步電動機(jī) 正常運(yùn)行時 ： 1. 由于 轉(zhuǎn)子與氣隙磁場 是同步旋轉(zhuǎn)的 ，轉(zhuǎn)子上的 阻尼繞組沒有切割磁 場， 因 此也沒有感應(yīng)電流 。 2. 當(dāng) 電動機(jī) 出現(xiàn)擾動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于 氣隙 磁場的轉(zhuǎn)速時 ， 阻尼繞組切割 磁場 產(chǎn)生感應(yīng)電流 。 3. 感應(yīng)電流在阻尼繞組上產(chǎn)生的力矩使轉(zhuǎn)子加速 。 二者轉(zhuǎn)速差

35、越大 ， 則此力 矩越大 ， 加速效應(yīng)越強(qiáng) 。 反之 ， 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于 氣隙 磁場轉(zhuǎn)速時 ， 此力矩方向相 反 ， 是使轉(zhuǎn)子減速的 。 因此 ， 阻尼繞組對 同步電動機(jī) 運(yùn)行的動態(tài)穩(wěn)定有良好的調(diào) 節(jié)作用 。 8 . 2 . 2 勵磁同步電動機(jī)氣隙磁鏈模型 兩種方法： （ 1 ） 電壓模型法 （ 2 ） 電流模型法 1 . 電壓模型法 用電壓模型法來計(jì)算氣隙磁鏈就是根據(jù)定子電壓 Au 、 Bu 、 Cu 和定子電流 Ai 、 Bi 、 Ci 的實(shí)際測量值經(jīng)過 3 /2 變換后得到的 u 、 u 和 i 、 i ，然后應(yīng)用 坐標(biāo)系 中的電壓方程，計(jì)算出氣隙磁鏈 g 的幅值和其位置角 1 。 以

36、A 軸為 軸，建立 坐標(biāo)系，則同步電動機(jī)定子磁鏈為定子漏磁鏈與 氣隙磁鏈之和。寫成如下方程 (8 - 5 2 ) s g sl s g sl Li Li 上式兩邊求導(dǎo)后可得 (8 - 53) 由同步電動機(jī)定子電壓方程可得 (8 - 5 4 ) gss sl gss sl dd d i L d t d t d t dd d i L d t d t d t s s s s s s s s d u R i dt d u R i dt 將（ 8 - 54 ）代入（ 8 - 53 ）中得 () () g s s s s l s g s s s s l s u R i d t L i u R i d t

37、L i (8 - 5 5 ) 應(yīng)用直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換公式，氣隙磁鏈空間矢量幅值和相角為 22 1 1 1 s i n c os g g g g g g g g g ar c t an （ 8 - 56 ） 同步電動機(jī)電壓模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框 圖如圖 8 - 7 所示。 + - si s u 1P sR + - g sRsl Lsi + su - 1 P+ - g sl L 圖 8-7 同步電動機(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機(jī) 中高速運(yùn)行場合。 由于電動機(jī)在低速時，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，會出現(xiàn)漂移問

38、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。 2. 電流模型法 （ 1 ）根據(jù)電流給定值計(jì)算氣隙磁鏈空間矢量幅值和相角 基于電流模型法的同步電動機(jī)氣隙磁鏈計(jì)算主要是基于給定值。已知定 子電流的勵磁分量給定 * sMi 轉(zhuǎn)矩分量給定 * sTi 和氣隙磁鏈給定 * g 及實(shí)際檢測的轉(zhuǎn) 子位置角 ，通過下面的計(jì)算，就可求出氣隙磁鏈空間矢量幅值和相角。 若凸極同步電動機(jī)的磁化電流空間矢量給定值為 * gi ，其在 M 、 T 坐標(biāo) 的 分量為 * gMi 和 * gTi ，則勵磁電流空間矢量 在 M 、 T 坐標(biāo)系的分量為 （ 8 - 57 ） * * * * * *

39、 fM g M sM fT g T sT i i i i i i 由此可得氣隙磁鏈空間矢量幅值和相角為 （ 8 - 58 ） 從上式可以看出，計(jì)算氣隙磁鏈空間矢量相角的關(guān)鍵是求出磁化電流 * gMi 和 * gTi 。 對于隱極同步電動機(jī)，由圖 8 - 4 可得到 * gMi 和 * gTi ： （ 8 - 59 ） * * 0 g gM g g gT ii L i * * 1 * * * gg fT fM fT fM i arctan i i arctan i 對于凸極同步電動機(jī)，由于凸極效應(yīng)（磁路不對稱）和阻尼繞組的影響， * gMi 和 * gTi 的求解比較復(fù)雜。具體描述如下 ： 1.

40、 應(yīng)用矢量回轉(zhuǎn)器（ VR ），將磁化電流空間矢量給定值為 * gi 在 MT 坐標(biāo)系 中的分量 * gMi 和 * gTi 變換成 dq 坐標(biāo)系中的分量 * gdi 和 * gqi 。 2. 根據(jù)式 （ 8 - 49 ）計(jì)算 得氣隙磁鏈在 dq 坐標(biāo)系中的分量 gd 和 gq 。 3. 應(yīng)用直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系的變換公式（ K/P ），將 gd 和 gq 變換成 g ，同 時輸出 s i n 和 c o s 。 已知 * gMi 和 * gTi ，則變換成 * gdi 和 * gqi 為 （ 8 - 60 ） * c o s - s in s in c o s g d g M g q g T

41、ii 考慮同步電動機(jī)凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響時，氣隙磁鏈 gd 和 gq 為 * * 1 1 gd g d g d Dd gq g q g q Dq L i Ts L i Ts （ 8 - 61 ） 由此可得氣隙磁鏈為 22 s i n c os g g d g q gq gd gq g gd g ar c t an （ 8 - 62 ） 基于電流給定值的同步電動機(jī)電流模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框圖 如圖 8 - 8 所示。在圖中，功率角 與 的差別是由起校正作用的電流增量 * fMi 引起的。 當(dāng) * 0 fMi 時， 。 - - * gM i * sM i VR 1 gd Dd L Ts 1 gq

42、Dq L Ts g sin c os * sT i /KP + * fM i * fM i * f i + 1 * fT i /KP * gd i * gq i * gd * gq * gT i 圖 8 - 8 基于電流給定值的電流模型法氣隙磁鏈運(yùn)算框圖 （ 2 ）根據(jù)電流反饋值計(jì)算氣隙磁鏈空間矢量幅值和相角 1. 首先將 A BC 坐標(biāo)系下的電流 Ai 、 Bi 和 Ci 變換成 坐標(biāo)系下的兩相電流 si 和 si （ 3 /2 變換）。 2. 應(yīng)用矢量回轉(zhuǎn)器（ VR ）再把它們變換成 dq 坐標(biāo)系下的兩相電流 sdi 和 sqi 3. 根據(jù)式（ 8 - 44 ）和式 （ 8 - 49 ）

43、， 計(jì)算 氣隙磁鏈在 dq 坐標(biāo)系中的分量 gd 和 gq ， 再應(yīng)用矢量回轉(zhuǎn)器（ VR ）的反變換，變換成 坐標(biāo)系下的氣隙磁鏈分量 g 和 g 。 4. 應(yīng)用直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系的變換公式（ K/P ），將 g 和 g 變換成 g ，同 時輸出 1s i n 和 1c os ，以及 s i n 和 c o s 。 sMisTi si si 3 / 2 s s sdisqi gd gq 11 11 c os sin sin c os c os si n si n c os 1 gd Dd L TsAiBiCi c os si n si n c os + fi gdi 1 gq Dq L Tsg

44、q sqii /KP1 si n 1c os g c os si n si n c os si n c os 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 8 . 2 . 3 勵磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng) 本系統(tǒng)為勵磁同步電動機(jī)三電平雙 P W M 變頻調(diào)速系統(tǒng)。 P W M 整流器 控制系統(tǒng)不是本章內(nèi)容，故只介紹 P W M 逆變器控制系統(tǒng)。勵磁同步電動機(jī) 矢量控制系統(tǒng)由三個閉環(huán)系統(tǒng)組成：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、氣隙磁鏈控制系統(tǒng)和勵 磁控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)框圖 如圖 8 - 10 所示。 1. 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 2. 氣隙磁鏈控制系統(tǒng) 3. 轉(zhuǎn)子勵磁控制系統(tǒng) 4. 功率因數(shù)控制 5. 電壓模型法與電

45、流模型法的切換 AR 電流電 壓 變 換 S P W M 觀 測 器 P S AS R * sTisTi * sMi * g sMi g *sMi*sTi 1ACR 2A CR * sTu * sMu * su * su * Au * Bu * Cu2VR /MT 2 / 3 2 / 3 2 / 31VR /MT g su su si s i 1si n 1c os SM磁 鏈 函 數(shù)發(fā) 生 器 * AuBuCu AiBiCi g * gi Pc os A F R 整 流 器 - fi fi fi 三 電 平 P W M 逆 變 器 三 電 平 P W M 整 流 器 計(jì) 算 計(jì) 算 S P

46、W M P W M 控 制 系 統(tǒng) fi * sMi 計(jì) 算 *c os s fic os * sMic os * sTi * g 圖 8-10 勵磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 1 . 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 A S R 、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器 A CR2 、電流電壓變換 單元、矢量回轉(zhuǎn)器 V R1 、矢量回轉(zhuǎn)器 V R2 、 3 / 2 變換單元、 2 / 3 變換單元、轉(zhuǎn) 子位置和速度檢測單元等組成，主要完成勵磁同步電動機(jī)運(yùn)行過程中電動機(jī)轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn) 矩調(diào)節(jié)。各單元的工作原理與異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中單元基本 相同 。 2 . 氣隙磁鏈控制系統(tǒng) 氣隙磁鏈控制系統(tǒng)由磁鏈函數(shù)發(fā)生器

47、、磁鏈調(diào)節(jié)器 AR 、磁鏈觀測器、定 子磁化電流調(diào)節(jié)器 A CR1 組成，主要完成勵磁同步電動機(jī) 運(yùn)行過程中氣隙磁鏈 調(diào)節(jié)。具體工作過程如下： （ 1 ）磁鏈函數(shù)發(fā)生器根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 輸出氣隙磁鏈給定值 * g 。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn) 速 小于或者等于額定轉(zhuǎn)速時， * g 等于恒定值。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 大于額定轉(zhuǎn)速 時， * g 值減小，即進(jìn)行 弱磁控制。 （ 2 ）根據(jù)逆變器輸出電壓和電流的實(shí)際值，通過 3 / 2 變換，將其輸入給磁鏈觀 測器。然后根據(jù)電壓模型法?；蛘唠娏髂Ｐ头?，計(jì)算出氣隙磁鏈的實(shí)際值 g 。 （ 3 ）把給定值 * g 和反饋值 g 進(jìn)行比較，將產(chǎn)生偏差輸入磁鏈調(diào)節(jié)器 AR 。磁鏈 調(diào)

48、節(jié)器輸出的磁化電流 * gi 分成兩路。一路輸入 給轉(zhuǎn)子勵磁電流給定值 * fi 的計(jì)算單 元，另一路輸入給定子磁化電流分量給定值 * sMi 的計(jì)算單元，用于通過調(diào)節(jié)器 A CR1 調(diào)節(jié)定子磁化電流。 在勵磁同步電動機(jī)起動過程中， * sMi 由式（ 8 - 34 ）計(jì)算得出， * s M g c o sfi i i 。 在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時， * sMi 由式（ 8 - 38 ）計(jì)算得出 ( t a n ) sl s M s s T s T g L i i i 。 3 . 轉(zhuǎn)子勵磁控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子勵磁控制系統(tǒng)由勵磁電流給定計(jì)算單元、功率角計(jì)算單元、勵磁調(diào)節(jié) 器 AFR 和觸發(fā)器組成，主要完成同步電動

49、機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁的調(diào)節(jié)。具體工作過程如 下： （ 1 ）轉(zhuǎn)子勵磁電流計(jì)算單元根據(jù)磁化電流 gi 和功率角 ，應(yīng)用式（ 8 - 40 ） 2 2 2 2( ) ( ) ( ) ( ) f f M f T g s M s Ti i i i i i ，或（ 8 - 41 ） c o s c o s fM g sM f i i i i ， 計(jì)算出轉(zhuǎn)子勵磁電流給 定值。 功率角 根據(jù)式（ 8 - 42 ）計(jì)算。 1 1 1 1 1 1 s i n s i n ( ) s i n c o s c o s s i n c o s c o s ( ) s i n s i n c o s c o s （ 2 ）轉(zhuǎn)子勵

50、磁電流給定值 * fi 主要取決于氣隙磁鏈的給定值 * g 。若忽略同 步電動機(jī)凸極效應(yīng)和阻尼繞組時， * fi 可按 圖 8 - 4 所示求出。若考慮同步電 動機(jī)凸極效應(yīng)和阻尼繞組時， * fi 可按 圖 8 - 8 所示的電流模型法求出。 （ 3 ）把給定值 * fi 和反饋值 fi 進(jìn)行比較，將產(chǎn)生偏差輸入勵磁調(diào)節(jié)器 AFR 進(jìn) 行調(diào)節(jié)，然后控制觸發(fā)器和可控硅主電路，完成轉(zhuǎn)子勵磁電流回路調(diào)節(jié)。 4 . 功率因數(shù)控制 勵磁同步電動機(jī)的定子磁化電流分量 * sMi 是根據(jù)功率因數(shù)的給定值計(jì)算 出來的，所以根據(jù)式 （ 8 - 38 ） ( t a n ) sl s M s s T s T g

51、L i i i ， 控制了 sMi 的大小，也就控制 了勵磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)。 5 . 電壓模型法與電流模型法的切換 1. 同步電動機(jī)在低速運(yùn)行時，應(yīng)采用電流模型法來計(jì)算氣隙磁鏈。 2. 但當(dāng)考慮凸極效應(yīng)和阻尼繞組影響時，由于涉及的電機(jī)參 數(shù)較多， 所以電機(jī)參數(shù)變化的影響較大。 3. 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于 5% 額定轉(zhuǎn)速時，可以將基于電流模型法的磁鏈計(jì)算 切換到基于電壓模型法的磁鏈計(jì)算。 4. 電壓模型法計(jì)算簡單，與電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)無關(guān)。要注意的是 ，磁鏈計(jì) 算方法之間的切換會導(dǎo)致氣隙磁鏈變量的跳變，因此切換前要進(jìn)行磁鏈變 量初始化。 8.3 永磁同步電動機(jī)矢量控制 永磁同步電動機(jī)是一種轉(zhuǎn)子采用永磁

52、體的同步電動機(jī) 。 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單 、 體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等 主要 應(yīng) 用 ： 響應(yīng) 速度快 、調(diào)速范圍寬 和控制精度高的高性能電力傳動系統(tǒng)中。 永磁同步電動機(jī)主要有 ： 1. 正弦波表面式永磁電動機(jī) (S u rf a c e P e rm a n e n t M a g n e t ， S P M ) 2. 正弦波嵌入式永磁電動機(jī) (In teri o r P e rm a n e n t M a g n e t ， I P M ) 3. 梯形波表面式永磁電動機(jī) ， 如圖 8 - 11 所示。 永磁同步電動機(jī) 由于轉(zhuǎn)子永磁體的幾何形狀不同，使得其旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的氣隙磁

53、場有 正弦波和梯形波之分 。 本文主要描述正弦波型永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)。 N SNS 氣 隙 磁 場 定 子 永 磁 體 （ a）正弦波表面式永磁電動機(jī) （ SPM） N S S N S N S N dq 定 子 軸 軸 轉(zhuǎn) 子 （ b）正弦波嵌入式永磁電 動機(jī) （ IPM） NA AB BC C S 氣 隙 轉(zhuǎn) 子 鐵 心 定 子 永 磁 體 （ c）梯形波表面式永磁 電動機(jī) 圖 8-11 永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu) 8 . 3 .1 永 磁同步電動機(jī) 數(shù)學(xué)模型 永 磁同步電動機(jī) 數(shù)學(xué)模型是勵磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡化。 假設(shè)忽 略永磁電動機(jī)的鐵芯飽和，不計(jì)電動機(jī)中渦流和磁滯的損耗，在考慮三

54、相 定子電流對稱的情況下，來建立 dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由于大多數(shù)永 磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子上一般不存在阻尼繞組，所以可對凸極同步電動機(jī) dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，直接得到永磁同步電 動機(jī)磁鏈、電壓和轉(zhuǎn) 矩方程。 1 . 磁鏈方程 永磁同步電動機(jī)在不考慮阻尼繞組的情況下，對式（ 8 - 16 ）進(jìn)行簡化， 得到在 dq 坐標(biāo)系下的磁鏈方程為 d d d f q q q Li Li （ 8 - 63 ） 式中， dL 為直軸同步電感； qL 為交軸同步電感； f 為轉(zhuǎn)子永磁體等效 磁鏈。 2 . 電壓方程 永磁同步電動機(jī)在不考慮阻尼繞組的情況下，對式（ 8 - 19 ）進(jìn)行簡化， 得到在

55、dq 坐標(biāo)系下的電壓方程為 （ 8 - 64 ） 將式（ 8 - 63 ）代入式（ 8 - 64 ），電壓方程為 （ 8 - 65 ） 3. 電磁轉(zhuǎn)矩方程 根據(jù)式（ 8 - 24 ），永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為 （ 8 - 66 ） d s d d q q s q q d u R i P u R i P d s d d d q q q s q q q d d f u R i L Pi L i u R i L Pi L i () ( ) d q q d f q d q d q T p i i p i L L i i 8 .3 .2 永 磁同步電動機(jī) 轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制 同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，

56、就是將轉(zhuǎn)子磁鏈定向到同步旋轉(zhuǎn)軸 M 軸 上，并使 M 軸與轉(zhuǎn)子 d 軸重合， MT 坐標(biāo)系與 dq 坐標(biāo)系重合。永磁同步電 動機(jī)由于轉(zhuǎn)子采用永磁體，所以 其矢量控制時常 采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制。 按照電力傳動系統(tǒng)控制慣例 ： 1. 永磁同步電動機(jī)在額定速度以下運(yùn)行時，采用 恒轉(zhuǎn)矩控制 ； 2. 在額定速度以上運(yùn)行時，采用 弱磁控制 。 1. 恒轉(zhuǎn)矩控制 永磁同步電動機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量圖如圖 8-12所示。 q d A f sqi i o 圖 8-12 在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁鏈 定向的矢量圖 d q q q s q q q f u L i u R i L Pi 在圖 8-12中，定子

57、電流空間矢量 位于 q軸 上，無 d軸分量，即 ，即定子電流全 部用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 永磁同步電動機(jī)的電壓方程可簡化為 （ 8-67） si si 0di 永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為 （ 8 - 68 ） 從式（ 8 - 68 ）可以看出 ： 1. 在采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，只要能準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子空間位置，即 d 軸位 置，并使定子電流空間矢量位于 q 軸上，則轉(zhuǎn)矩只與定子電流空間矢量 si 的幅值成正比例。 2. 控制了定子電流的幅值，就能很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。這種控制方法與他 勵直流電動機(jī)的控制方法完全相同。 fqT p i 2. 弱磁控制 永磁同步電動機(jī)在弱磁區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量圖如

58、圖 8-13所示。 q d Af qisi diO 圖 8-13 在弱磁區(qū)采用轉(zhuǎn)子磁 鏈定向的矢量圖 在圖 8 - 13 中 ： 1. 定子電流矢量 si 在 d 軸的分量 di 和 f 的方 向相反，起弱磁作用。 2. 在弱磁區(qū)運(yùn)行時，在輸出同樣轉(zhuǎn)矩的情 況下，要求更大的定子電流幅值。 3. 在電動機(jī)額定電流以下，弱磁的范圍很 小，弱磁調(diào)速的范圍也很小，所以這種控 制方法多用于恒功率控制。 4. 由于永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體， 在弱磁區(qū)運(yùn)行時對永磁體有去磁作用，所 以該種運(yùn)行方式只能短時運(yùn)行。 8 .3 .3 永 磁同步電動機(jī) 矢量控制系統(tǒng) 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子磁場定向

59、。由于采用轉(zhuǎn)子是 永磁體，且磁場恒定，故控制系統(tǒng)比較簡單。整個系統(tǒng)由兩個閉環(huán)系統(tǒng)組成： 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、弱磁控制系統(tǒng) ?？刂葡到y(tǒng)框圖 如圖 8 - 14 所示。 1 . 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 A S R 、轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器 A CR2 、電流電壓變 換單元、矢量回轉(zhuǎn)器 V R1 、矢量回轉(zhuǎn)器 V R 2 、 3 / 2 變換單元、 2 /3 變換單元、 轉(zhuǎn)子位置和速度檢測單元等組成，主要完成永磁 同步電動機(jī)運(yùn)行過程中電動 機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。各單元的工作原理與異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中單 元基本相同 。 2 . 弱磁控制系統(tǒng) 弱磁控制系統(tǒng)由弱磁電流函數(shù)發(fā)生器、電流調(diào)節(jié)器 1A C

60、 R 組成，主要完 成定子磁化電流的調(diào)節(jié)。 （ 1 ）弱磁電流函數(shù)發(fā)生器根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 輸出定子磁化電流給定值 * di 。當(dāng) 電動機(jī)轉(zhuǎn)速 小于或者等于額定轉(zhuǎn)速時， * d 0i 。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 大于額定轉(zhuǎn) 速時， * di 為負(fù)值，即進(jìn)行弱磁控制。 （ 2 ）弱磁電流函數(shù)發(fā)生器輸出負(fù)值后，系統(tǒng)進(jìn)入弱磁控制。當(dāng)永磁同步電 動機(jī)處于恒功率控制區(qū)時，必須令 * d 0i ，使定子電流空間矢量 si 處于如圖 8 - 13 位置，對轉(zhuǎn)子磁場起去磁作用，從而使電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 ( ) f q d q d qT p i L L i i 減 小。一般情況下，弱磁控制所采用的電動機(jī) 為內(nèi)置式永磁電動機(jī)。 電流

61、電 壓 變 換 S P W M 計(jì) 算 P S AS R * qiqi * di * di di * di* qi 1ACR 2A CR * du * du * su * su * Au * Bu * Cu2VR /dq 2 / 3 2 / 31VR /dq si n si s i si n c os P MSM 弱 磁 電 流 函 數(shù) 發(fā) 生 器 * AiBiCi P P W M 逆 變 器 整 流 器 c os 圖 8-14 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 3 . 功率因數(shù)控制 永磁電動機(jī)按照恒轉(zhuǎn)矩模式工作時， 0di ，根據(jù)圖 8 - 15 ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增 大會導(dǎo)致電動機(jī)功率角增大和功率

62、因數(shù)降低。 A ds i s u q s f sq Li ss r i qs j L i sf e 圖 8 - 1 5 轉(zhuǎn)子磁鏈定向時的定子電壓矢量圖 從圖 8 - 15 可以看出，永磁電動機(jī)內(nèi)功率因數(shù)角等于零，定子電流空 間矢量在 q 軸上。在 dq 坐標(biāo)系下，定子電壓空間矢量 su 在 d 軸和 q 軸的 分量為 d q s q f s s u L i u r i （ 8 - 69 ） 定子電壓幅值為 2 2 2 2 ( ) ( ) s d q f s s q s u u u r i L i （ 8 - 70 ） 從式（ 8 - 70 ）可以看出，恒轉(zhuǎn)矩控制模式時，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時，電動機(jī)電壓

63、 會升高。當(dāng)要求轉(zhuǎn)速很高時，必須采用弱磁調(diào)速，以保持電動機(jī)電壓恒定。 根據(jù)圖 8 - 14 ，可得功率角 為 t a n qs f Li （ 8 - 71 ） 功率因數(shù)角為 t a n qsd s q f s s Liu u r i （ 8 - 72 ） 由于永磁電動機(jī)的永磁體磁通一般都很強(qiáng)， f q sLi ，所以當(dāng)負(fù)載增 加時， 角增加不大，故功率因數(shù) c o s s 也下降不大。 8.4同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測 在同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確檢測是實(shí)現(xiàn)高性 能控制的基礎(chǔ)。 必要性： （ 1 ） 在電動機(jī)起動時，只有檢測出轉(zhuǎn)子空間位置后，才能決定 變頻器的通電方式和控制模式。 （

64、 2 ） 在運(yùn)行過程中，只有實(shí)時檢測出轉(zhuǎn)子的空間位置，才能控 制變頻器輸出電流的相位和頻率，使定子和轉(zhuǎn)子磁鏈保持確定的 相位關(guān)系，產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。 同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法有： （ 1 ） 基于光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器的直接檢測方法 ；（ 2 ） 基于電動機(jī)繞組的有關(guān)電信息進(jìn)行估算的無傳感器檢測方法。 8 .4 .1 基于絕對式編碼器的 轉(zhuǎn)子位置檢測 絕對式編碼器是絕對式光電編碼器的簡稱。 對于旋轉(zhuǎn)型絕對式編碼器， 其每一個位置絕對唯一 ，且具有位置保存功能，所 以特別適合同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測和初相角檢測。 絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以 2 線、 4 線、 8 線、

65、16 線 . . . . . . 編排，這樣在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組 從 2 0 至 2 n - 1 的唯一的二進(jìn)制編碼（格雷碼），根據(jù)這些二進(jìn)制碼就能唯一確定機(jī) 械位置，同時稱該編碼器為 n 位絕對式編碼器。圖 8 - 16 為 4 道 16 位的絕對編碼 器碼盤示意圖。 0 1 2 34 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 圖 8-16 4道 16位的絕對式 編碼器碼盤示意圖 絕對式編碼器的主要性能參數(shù)是分辨率，也就 是能夠檢測到的最小角度值。輸出位數(shù)越多時，分 辨率越高。若采用表 8 - 1 的二進(jìn)制表，當(dāng)電動機(jī)極 數(shù)為 2

66、 極時，則最小測量角度值為 2 2 .5 ；當(dāng)電動機(jī)極 數(shù)為 4 極時，則最小測量角度值為 45 。編碼器輸出 位數(shù)相對少時，采用并行數(shù)據(jù)輸出格式。編碼器輸 出位數(shù)相對多時，采用串行數(shù)據(jù)輸出格式，但此時 控制器的接收端要按照通訊協(xié)議進(jìn)行解碼。 8 .4 .2 基于增量式編碼器的 轉(zhuǎn)子位置檢測 增量式編碼器是增量式光電編碼器的簡稱。 旋轉(zhuǎn)型增量式編碼器 是將 角 位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號 轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示 角 位移的大小 。 當(dāng)編碼器不動或停電時， 依靠計(jì)數(shù) 器 的內(nèi)部記憶來記住位置。 存在問題及解決方法： 這種工作方式存在 零點(diǎn)偏移 問題，為此通過增加參考點(diǎn)的方法來解決。 編 碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)， 對計(jì)數(shù)器中的 參考位置 進(jìn)行 修正 ，但在 參考點(diǎn)以前，不能 保證位置 的 準(zhǔn)確。為此，在 實(shí)際控制時 每次操作 都通過 先找參考點(diǎn) 方法來進(jìn)行 定位。 增量式編碼器轉(zhuǎn)子位置檢測單元由光電編碼器、整形方向判別、初始定 位計(jì)算、轉(zhuǎn)換開關(guān)、可逆計(jì)數(shù)器、正弦和余弦函數(shù)計(jì)算等組成，原理圖如圖 8 - 17 所示。 整 形 方 向 判 別 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān) 可 逆 計(jì) 數(shù)