第六章 永磁同步电机控制技术

永磁同步电机控制技术北京交通大学电气工程学院林飞1内容提要•概述•永磁同步电机的数学模型•矢量控制•高速弱磁控制方法•无位置传感器控制•总结2概述•交流电机同步电机异步电机3电励磁：直流励磁永磁鼠笼：感应双馈：交流励磁概述•永磁同步电机高效率高功率密度控制相对简单4概述•效率比较(400kW牵引电机)561.绪论德国西门子参数异步电动机永磁同步电动机额定功率500kW500kW传动比1:2.79——电机质量750kg400kg电机最大效率94.5%96.5%传动齿轮效率97%——总效率91.5%96.5%ICE3原型车异步电机与永磁同步电机主要参数对比概述•主电路牵引变流器：四象限变流器+三相逆变器一个逆变器控制一台电机电机端接触器：旋转→反电势7概述•法国TGV-A同步电机牵引传动系统8开关器件：晶闸管电流型变流器有源逆变方式概述•永磁牵引系统的主要应用阿尔斯通9AGV：720kW/4500rpmCitadis:120kW/3600rpm概述•永磁牵引系统的主要应用10西门子Syntegra：直驱概述•永磁牵引系统的主要应用庞巴迪11Mitrac永磁牵引系统单轨车斯柯达100%低地板车：46kW概述•永磁牵引系统的主要应用东日本铁路12103系动车组：直驱东芝东京地铁银座线新干线E954/955日立/川崎16000系地铁概述•永磁电机的两种转子结构表面式(SPM):隐极特性内置式(IPM):凸极特性13概述•控制方法恒压频比控制矢量控制直接转矩控制14控制简单性能低不适合牵引传动控制较复杂性能高适合牵引传动控制复杂性能较高应用不多内容提要•概述•永磁同步电机的数学模型•矢量控制•高速弱磁控制方法•无位置传感器控制•总结15数学模型•坐标系与坐标变换•不同坐标系下电机方程•模型框图•小结16数学模型•静止与旋转坐标系三相静止坐标系(abc)两相静止坐标系(ab0)两相旋转坐标系(dq0)17同一空间矢量在不同坐标系下的投影数学模型•坐标变换abc→ab0ab→dq018数学模型•abc坐标下电机模型电压方程磁链方程19数学模型•abc坐标下电机模型电感方程电感参数时变，与转子位置有关20数学模型•ab坐标下电机模型电压方程磁链方程对于IPM，电感参数仍然时变21数学模型•dq坐标下电机模型电压方程磁链方程电感参数为常数SPM：Lds=Lqs;IPM:LdsLqs各电气量由交流量变为直流量22数学模型•转矩方程SPMIPM23bbsincossqssdsiiii]2sin)(21sin[2232bbsqsdssmeiLLiPT数学模型•状态方程24}])([223{2LdsqsqsdsqsmrqsmrqssdsrdsqsqsdsqsrqsdssdsdsTiiLLiPPJviRiLiLviLiRiL系统输入：dq轴电压状态变量：dq轴电流、转速电流方程qsdsmrqsdssrdsrqssqsdsqsdsvviiRLLRiiLL000数学模型•PMSM模型框图25数学模型•PMSM模型框图26数学模型•小结27同步旋转坐标系下(dq)模型最简单旋转坐标变换需要转子位置信息IPM的转矩有励磁和磁阻转矩两部分电流方程中存在耦合和非线性内容提要•概述•永磁同步电机的数学模型•矢量控制•高速弱磁控制方法•无位置传感器控制•总结28矢量控制•基本原理•最大转矩电流比控制•电流解耦控制•小结29矢量控制•矢量控制基本原理30矢量控制•常规矢量控制框图31矢量控制•PMSM与IM矢量控制32永磁同步电机异步电机转子位置测量需要不需要磁链观测不需要需要磁链控制弱磁时需要需要参数鲁棒性高低转矩控制性能高较高矢量控制•两种电流分配方案33ids=0控制最大转矩电流比控制(MTPA)电流一定时转矩最大转矩一定时电流最小dq电流的优化分配矢量控制34ids=0控制矢量控制35ids=0控制适用于SPM;对IPM则未能利用磁阻转矩转矩响应速度快控制简单矢量控制36MTPA目标：确定dq轴电流的分配，使得给定转矩下定子电流幅值最小。对SPM，即ids=0控制。对IPM，需求解数学优化问题。矢量控制37IPM-MTPA问题Min222qsdssiiiSj.拉格朗日函数]))(P75.0[Fm22eqsdsqsdsqsqsdsTiiLLiii（求解：0Fdsi0Fqsi0F结果：dq电流关系矢量控制38IPM-MTPA控制方案一矢量控制39IPM-MTPA控制方案二矢量控制•电流解耦控制40反馈解耦矢量控制•电流解耦控制41双PI解耦矢量控制42参数灵敏度分析矢量控制•两种解耦方法对比43反馈解耦双PI解耦理想情况下解耦效果好好电感参数鲁棒性低高永磁体磁链参数鲁棒性低复杂，调试工作较繁琐实现难度简单高永磁同步电机交直轴磁路44（a）直轴磁路（b）交轴磁路𝑅𝑚=𝑈Φ=𝐿𝜇𝐴𝐿=𝜓𝑖=𝑁2𝜇𝐴𝑙=𝑁21𝑅𝑚U=HLΦ=BA𝜇𝑑𝜇𝑞𝑅𝑑𝑅𝑞𝐿𝑑𝐿𝑞基于Ansoft的电机电感计算45设计参数值设计参数值额定功率600kW定子外径510mm额定电压2730V转子外径290mm额定电流143.882A铁心长度225mm电机极对数3定子槽数54相数3永磁体材料NdFe38EH电机效率97%电机永磁体磁链1.949Wb600kW内置式永磁同步牵引电机基本参数Ansoft流程图建立二维坐标系绘制模型的几何尺寸建立永磁体和铁芯材料的特性曲线设定求解方案及划分网格设定边界条件和磁场来源建立模型建立模型外接电路产生静态解查看各参数结果后处理产生动态解计算电感转矩磁通等物理量整理分析的结果并绘图c永磁体单独激励时的磁力线a直轴电流单独激励时的磁力线b交轴电流单独激励时的磁力线d永磁体和交、直轴电流共同激励时的磁力线分布基于Ansoft的电机电感计算462dmdTmqqBNCCalPuvwLLLLL600kW电机电感随交轴电流变化图电感变化对IPMSM控制的影响分析永磁同步电机转矩闭环控制47PMSMrudTe*Te+-uq+-UdcrωrdqabcidiqidiqiMTPA++--abdqu**uβuα**SVPWM电压源逆变器qididtr编码器aibici弱磁控制idMTPA控制PIPIPI限幅+-Us*2qU2dUPI+Calculationdiqi电感变化对IPMSM控制的影响分析电感变化对输出转矩影响48电磁转矩励磁转矩磁阻转矩)(mNTe2)(rad电磁转矩合成图pefqdqdqTipLLii''pefqdqdqTipLLii设计转矩实际转矩转矩差''TeeqqdqTTpLLii励磁转矩磁阻转矩设计转矩1500N·m直轴电流-99.748A交轴电流164.785A固定电感15.38mH实际电感10.5655mH实际转矩1262.59N·m转矩差237.41N·m百分比15.8%电感变化对IPMSM控制的影响分析电感变化对MTPA曲线的影响49固定电感的MTPA轨迹和实际电感MTPA'轨迹𝑇𝑒=𝑝𝜓𝑓𝑖𝑞+𝑝𝐿𝑑−𝐿𝑞𝑖𝑑𝑖𝑞𝑖𝑠=𝑖𝑑2+𝑖𝑞2𝜕𝑇𝑒/𝑖𝑠𝜕𝑖𝑑=0𝜕𝑇𝑒/𝑖𝑠𝜕𝑖𝑞=0𝑖𝑑=−𝜓𝑓+𝜓𝑓2+4·𝐿𝑑−𝐿𝑞2·𝑖𝑞22𝐿𝑑−𝐿𝑞idiqT百分比A'-106.4200.71500A-99.748164.7851262.5915.8%B'-60.16142.61000B-66.068125899.310.1%矢量控制•小结50PMSM矢量控制较简单MTPA控制具有较优的效率解耦控制可以明显改善电流环性能磁链及电感参数的在线辨识内容提要•概述•永磁同步电机的数学模型•矢量控制•高速弱磁控制方法•无位置传感器控制•总结51弱磁控制•基本原理•PMSM弱磁区运行•几种弱磁控制方法•弱磁区保护问题探讨•小结52弱磁控制•电压与电流限制53电流限制2max22sqsdsIii电压限制2max22sqsdsVvv2max22)()(smrdsdsrqsqsrViLiLmrdsdsrqsqsqsrdsiLviLv弱磁控制•电压与电流限制542max22sqsdsIii2max22)()(smrdsdsrqsqsrViLiL弱磁控制•弱磁转折速度55max0smrVe空载转折速度msrbVmax22max)()(mdsdsqsqssrciLiLV负载转折速度弱磁转折速度的影响因素直流电压PWM调制方式电流轨迹达到电压极限时进入弱磁dq电流分配方式永磁体磁链弱磁控制•弱磁转折速度56弱磁点的判定公式计算法空载转折速度电流跟踪误差判定法输出电压判定法弱磁控制•PMSM的运行范围57OA：MTPA运行区转矩逐渐增大最大转矩点弱磁控制•PMSM的运行范围58AB：弱磁I区A点为电压、电流限制圆与MTPA轨迹的交点rc1为最大转矩下对应的转折速度AB为弱磁I区中不同速度下的最大转矩点，沿电压、电流极限圆的交点运行随速度上升，最大转矩下降弱磁控制•PMSM的运行范围59BC：弱磁II区B点后最大转矩点在电流极限圆内，电压极限圆上BC为弱磁II区中不同速度下的最大转矩点随速度上升，最大转矩下降弱磁控制•弱磁时的最优运行点60给定速度和转矩下，电压极限圆上的运行点电流最小弱磁控制•弱磁时的最优运行点61转矩不变，速度上升，则id反向增大；SPM的iq不变，IPM的iq减小。弱磁控制•弱磁时的最优运行点62转速不变，转矩增大，则id反向增大，iq增大。弱磁控制•现有几种弱磁控制方案63双电流环法单电流环法电压相位法弱磁控制•双电流环法64沿用非弱磁区的控制结构根据转速和转矩确定电流分配方案电流环PI的改进弱磁控制65直接计算法根据转速和转矩判定弱磁转折点；弱磁前后均通过公式计算电流优化运行点；计算量大，参数依赖性强。弱磁控制66电压校正法根据电压饱和自动进入弱磁区；利用电压误差校正d轴电流指令；构造q轴电流的校正规律。弱磁控制•双电流环法67沿用非弱磁区的控制结构根据转速和转矩确定电流分配方案电流环PI的改进电流调节器极易饱和；弱磁区电流动态响应慢；常偏离最优点运行。弱磁控制•现有几种弱磁控制方案68双电流环法单电流环法电压相位法弱磁控制•单电流环法69直接给定q轴电压通过d轴电流进行调速弱磁控制70原理分析小信号模型q轴电压固定利用了高速区的强耦合性弱磁控制71运行点F点固定运行在由EF确定的直线上E点随速度升高向C点靠近给定速度和转矩下，运行点S2偏离最优点S1带载能力下降弱磁控制72运行过程沿EF直线迅速由S1点运行到S2点同一转速，不同负载同一负载，不同转速由S1点运行到S2点弱磁控制•q轴电压在线调整73接近最优运行点增加带载能力弱磁控制•现有几种弱磁控制方案74双电流环法单电流环法电压相位法弱磁控制•电压相位法75电压幅值固定，调节电压相位电压相位与转矩间为强非线性关系控制器不易设计弱磁控制•几种弱磁控制方案对比76电压相位法双电流环单电流环是否最优运行点实际有偏差有偏差动态响应慢快参数鲁棒性低简单实现难度复杂高电压相位是较慢较简单高是否有电流环有有无弱磁控制•弱磁区