永磁电机矢量控制技术与应用

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1、1主要内容一、矢量控制基础——由来、趋势、矢量含义、坐标变换、基本思想二、永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程、基本特性、控制方法三、永磁电机矢量控制系统与分析——系统框图、各部分说明四、永磁电机矢量控制系统在电动汽车中的应用2矢量控制基础——矢量控制技术的由来交流变频技术发展过程按其控制方式可分为四代：第1代——V/f恒定和正弦脉宽调制(SPWM)控制第2代——电压空间矢量控制(又称SVPWM、磁通轨迹法)第3代——矢量控制第4代——直接转矩控制矢量控制硬件基础：20世纪60年代起，微处理器、大规模集成电路等微电

2、子技术、快速电力半导体变流装置迅速发展；矢量控制理论基础：20世纪70年代初期两项突破性研究成果：德国西门子F．Biaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”；美围P.C．Custman等申请专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”；3高压大容量矢量控制变换装置的研制：多电平，10MVA数字电流控制系统的高速化；电机的非线性补偿：参数饱和，铁耗估算与补偿最大效率控制；调速范围拓展；参数的在线检测；无位置传感器的矢量控制速度观测：MRAS矢量控制基础——永磁电机控制技术的发展方向4永磁电机定子绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时

3、间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示空间向量表示。矢量指得是定子电压、电流、磁链等空间矢量，该类矢量通过三相定子变量合成得到。矢量控制基础——矢量的基本含义为旋转因子，5三相/2相变换：根据变换前后功率不变的约束条件，以定子电流为例：矢量控制基础——坐标变换6旋转变换：根据变换前后功率不变的约束条件，以定子电流为例：矢量控制基础——坐标变换7矢量控制基础——图解各变量之间关系8矢量控制是一种高性能交流电机控制方式，它基于交流电机的动态数学模型，通过对电机定子变量（电压、电流、磁链）进行

4、三相/2相坐标变换，将三相正交的交流量变换为两相正交的交流量，再通过旋转变换，将两相正交的交流量变换为两相正交的直流量，采用类似于他激直流电机的控制方法，分别控制电机的转矩电流和励磁电流来控制电机转矩和磁链，具有直流电动机类似的控制性能。矢量控制基础——矢量控制的基本思想9永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程以三相两极永磁无刷电机为例，分析永磁无刷电机的一般化数学模型，并作如下假设：（1）定子绕组Y形接法，三相绕组对称分布，各绕组轴线在空间互差120º；（2）忽略定子铁心和转子铁心的涡流损耗和磁滞损耗；（3）采用饱

5、和参数近似计算磁路饱和效应的影响；（4）定子绕组参数不随温度和频率变化。10定子电压方程矩阵形式：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程11能量法：永磁无刷电机运行时，当外电源注入电机的电流恒定，电机的轴输出功率和定子磁场中能量的增量分别等于外电源注入电机的净功率的一半：虚位移原理：保持三相定子电流不变时，采用电角度代替广义位移时，广义力便为电机的轴输出电磁转矩：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程12对永磁电机数学模型作进一步假设：（1）忽略定子绕组漏磁链互感；（2）定子绕组相漏感和互感随着电机

6、转子位置的变化呈正弦变化规律；（3）定子电流为对称的正弦波电流；定子空载反电动势为正弦波波形；（4）电机定子绕组的A相绕组轴线As作为转子零位置。永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程13经坐标变换，得到：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程14直轴电感：交轴电感：电压方程：转矩方程：永磁电机动态数学模型简化为：定义：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——假定条件与状态方程15Ld=Lq：Ld

7、转矩/电流比控制恒功率弱磁控制最大功率控制永磁电机动态数学模型与基本控制方法——基本控制方法171、Id=0控制：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——基本控制方法182、最大转矩/电流比控制：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——基本控制方法193、恒功率弱磁控制：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——基本控制方法204、最大功率控制：永磁电机动态数学模型与基本控制方法——基本控制方法21经典永磁电机矢量控制系统（SPM电机）永磁电机矢量控制系统与分析——系统框图22经典永磁电机矢量控制系统（IPM电机）永磁电机矢量控制系统与分析—

8、—系统框图23电压补偿式永磁电机矢量控制系统（IPM电机）永磁电机矢量控制系统与分析——系统框图24永磁电机矢量控制系统与分析——系统框图25为直流电源（V）；为中间直流回路支撑（滤波）电容（F）；为6个功率开关管；为6