现代电机控制技术三相永磁同步电动机的矢量控制.ppt

1/138,现代电机控制技术,第三章 三相永磁同步电动机的矢量控制,2/138,第3章 三相永磁同步电动机的矢量控制,3.1 基于转子磁场定向的矢量方程3.2 基于转子磁场定向的矢量控制及控制系统3.3 弱磁控制与定子电流最优控制3.4 基于定子磁场定向的矢量控制3.5 谐波转矩及转速波动3.6 矢量控制系统仿真实例,3/138,3.1 基于转子磁场定向的矢量方程,3.1.1 转子结构及物理模型永磁同步电动机是由电励磁发展来的。用永磁体代替电励磁系统，省去了励磁绕组、集电环和电刷，其定子与电励磁的三相同步电动机相同，故称为永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)。,4/138,永磁同步电动机要求其在稳态运行时能够在相绕组中产生正弦波感应电动势，所以其永磁励磁磁场在气隙中按正弦波分布。永磁同步电动机的转子结构，按永磁体安装形式分为，面装式、嵌入式和内装式三种。如图3-1图3-3(p104)。永磁材料采用较多的主要有铁氧体、稀土钻和钕铁硼(两者统称为稀土永磁)3类，一般是钕铁硼。,5/138,6/138,对于每种类别的转子结构，永磁体的形状和转子的结构形式，根据永磁材料的类别和设计要求的不同，可以有多种的选择，可采取各式各样的设计方案。除了考虑成本、可靠性和制造工艺之外，应该尽量产生正弦分布的励磁磁场。,7/138,如图3-4(p105)为两极面装式PMSM结构图。电压电流正方向一致(按照电动机原则)将正向电流流经的一相绕组产生的正弦波磁动势的轴线定义为相绕组的轴线，并将A相轴线作为ABC轴系的空间参考坐标。,8/138,如图3-5(p105)为两极插入式PMSM结构图。电压电流正方向一致(按照电动机原则)将正向电流流经的一相绕组产生的正弦波磁动势的轴线定义为相绕组的轴线，并将A相轴线作为ABC轴系的空间参考坐标。,9/138,在建立数学模型之前。假设：1)忽略定、转子铁心磁阻，不计涡流和磁滞损耗；2)永磁材料的电导率为零，永磁体内部的磁导率与空气相同；3)转子上没有阻尼绕组；4)永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的电枢反应磁场在气隙中均为正弦分布；5)稳态运行时，相绕组中感应电动势波形为正弦波。,10/138,对于面装式转子结构，由于永磁体内部磁导率很小，接近于空气，可以将置于转子表面的永磁体等效为两个空心励磁线圈，如图3-6a。其在气隙中产生正弦分布的励磁磁场与两个永磁体相同。再将这两个励磁线圈等效置于转子槽内的励磁绕组，其有效匝数为相绕组的 倍。,通入等效励磁电流if后，在气隙中产生的正弦分布的励磁磁场与两个永磁体相同。,Lmf为等效励磁电感，如图3-6b。,11/138,两极面装式PMSM的物理模型如图3-6a(p105),图3-6 二极面装式PMSM物理模型a）转子等效励磁绕组 b）物理模型,12/138,如图3-6a，由于永磁体内部的磁导率接近于空气，因此对于定子三相绕组产生的电枢磁动势，电动机气隙是均匀的，气隙长度为g。因此，图3-6b相当于将面装式PMSM等效成为电励磁三相隐极同步电动机。唯一的差别是电励磁同步电动机的转子励磁磁场可以调节，而面装式PMSM的永磁励磁磁场不可调节。在电动机运行中，若不计及温度变化对永磁体供磁能力的影响，可认为f是恒定的，if是个常值。,13/138,将永磁体磁场轴线定义为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90电角度。fs和is分别是定子三相绕组产生的磁动势矢量和定子电流矢量，产生is(fs)的等效单轴线圈位于is(fs)轴上，其有效匝数为相绕组的 倍。,对于插入式和面装式的同理，区别是交直轴等效励磁电感不相等。,这与电励磁的情况相反。,14/138,对于面装式的有,对于内装式的有,Lm称为等效励磁电感,15/138,图3-7 二极插入式PMSM物理模型a）转子等效励磁绕组 b）物理模型,16/138,3.1.2 面装式三相永磁同步电动机的矢量方程1，定子磁链和电压矢量方程三相绕组的电压方程,式中，A、B、C分别为A、B、C相绕组的全磁链。,17/138,因为电动机气隙均匀，所以A、B、C三相绕组的自感和互感都与转子位置无关，均为常值。于是有,式中，fA、fB、fC分别为永磁励磁磁场链过A、B、C绕组产生的磁链。,式中，Ls、Lm1分别为相绕组的漏电感和励磁电感。,(3-4),(3-5),18/138,另有,式(3-4)可表示为,式中,(3-7),(3-6),19/138,一般，定子绕组为Y形连接，且无中线引出，则有，于是,式中，Lm为等效同步电感，Ls称为同步电感，Ls=Ls+Lm。,对于B、C，同样也可以有A的形式。,(3-8),20/138,所以,同三相感应电动机一样，由三相定子绕组中的电流iA、iB、iC构成了定子电流矢量is，同理三相绕组的全磁链可构成定子磁链矢量s，由fA、fB、fC可构成转子磁链矢量f。,(3-9),21/138,即有,表示为空间矢量形式,(3-10),(3-11),22/138,式中：等式右边第一项Is是产生的漏磁链矢量，与定子绕组漏磁场相对应；第二项是Is产生的励磁磁链矢量，与电枢反应磁场相对应；第三项是转子等效励磁绕组产生的励磁磁链矢量，与永磁体产生的励磁磁场相对应。等式左边是定子磁链矢量。,23/138,通常，将定子电流产生的漏磁场和电枢反应磁场之和称为电枢磁场；将转子励磁磁场称为转子磁场，又称为主极磁场；将电枢磁场与主极磁场之和称为定子磁场。定子磁场的空间矢量形式，还可表示为：,为定子磁链矢量方程，LsIs为电枢磁链矢量，与电枢磁场相对应。,(3-12),24/138,将三相绕组的电压方程转换为矢量方程。,将式(3-12)代入式(3-13),式中，r为f在ABC轴系内的空间相位，如图3-6b(p105)。另有,(3-13),(3-14),(3-15),25/138,等式右边第一项是变压器电动势项，因f为恒值，故为零；第二项是运动电动势项，是因转子磁场旋转产生的感应电动势，通常又称为反电动势。最后，可将定子电压的矢量方程式表示为,可将其表示为等效电路形式。,(3-16),26/138,其等效电路如图3-8(p109)，图中，为感应电动势矢量。,27/138,在正弦稳态下，因is幅值恒定，则有,在正弦稳态下，定子电压的矢量方程式,(3-17),28/138,可得面装式PMSM矢量图和向量图,29/138,在正弦稳态下，可将定子电压的矢量方程式直接转换为,式中，E0=rf=rLmfIf，因Lmf=Lm，故有E0=sLmIf。,(3-18),30/138,可得图3-10所示的等效电路图。,31/138,2，电磁转矩矢量方程根据电励磁三相隐极同步电动机的电磁转矩，面装式PMSM的电磁转矩,当f和is幅值恒定时，电磁转矩仅与两者的夹角有关。Te的关系称为矩角特性，如图3-11(p110)。,(3-19),32/138,将电磁转矩公式表示为,表明，电磁转矩可看成是由电枢反应磁场与永磁励磁磁场相互作用的结果，其大小由两个磁场的幅值和相对位置决定。由于f的幅值恒定，因此，电磁转矩由电枢反应磁场Lmis的幅值和相对f的相位决定。,(3-20),33/138,将fs(is)对主极磁场的影响和作用称为电枢反应，正是由于电枢反应使气隙磁场发生畸变，促使了机电能量转换，才产生了电磁转矩。从电磁转矩公式得知，电枢反应的结果将决定于电枢反应磁场的强弱和其与主极磁场的相对位置。fs(is)除产生电枢反应磁场外，还产生电枢漏磁场，但此漏磁场不参与机电能量转换。不会影响电磁转矩的生成。,34/138,从图3-9，正弦稳态下的电动机电磁功率,式中，为内功率因数角。或者,电磁转矩为,或者,(3-21),(3-22),(3-23),(3-24),35/138,可得,与前面的电磁转矩公式(3-19)一致。说明在转矩的矢量控制中，控制的是定子电流矢量is的幅值和相对f的空间相位角。而在正弦稳态下，就相当于控制定子电流向量Is的幅值和相对f的时间相位角。或者相当于控制Is的幅值和相对E0的时间相位角。,(3-25),36/138,3.1.3 插入式三相永磁同步电动机的矢量方程,对于插入式转子结构，电动机气隙是不均匀的。在幅值相同的is作用下，随空间相位角不同，产生的电枢反应磁场不会相同，等效励磁电感不再是常值，而随着角的变化而变化。这给定量计算电枢反应磁场和分析电枢反应作用带来很大的困难。,37/138,所以，在电机学中，常用双反应(双轴)理论来分析凸极同步电动机问题。对于插入式永磁同步电动机，同样可以采用这种分析方法，可采用图3-7b(p106)的dq轴系来构建数学模型。,38/138,1，定子磁链和电压方程,图3-12 同步选择dq轴系,39/138,将单线圈s分解为dq轴系上的双线圈d和q，每个轴线圈的有效匝数与单线圈相同。这相当于将定子电流矢量is分解为,用双反应理论，分别求得id(fd)和iq(fq)(磁动势矢量)产生的电枢反应磁场，即有,式中，Lmd和Lmq分别为直轴和交轴等效励磁电感，LmdLmq。,(3-26),40/138,定子磁场在dq轴方向上的分量分别为,式中，Ld为直轴同步电感，Ld=Ls+Lmd；Lq为交轴同步电感，Lq=Ls+Lmq。,得用dq轴系表示的定子磁链矢量s为,(3-30),(3-29),(3-31),41/138,定子电压矢量方程(3-13),对于面装式和插入式均适用。利用矢量变换因子，可将ABC轴系的定子电压方程式变换为以dq轴系表示的矢量方程式,具有普遍意义。,42/138,代入电压矢量方程，得到以dq轴系表示的电压矢量方程,等式右端多了第三项，是由于dq轴系旋转产生的。,(3-35),43/138,以坐标分量表示，可得电压分量方程为,以上两式可可表示为,(3-36),(3-37),(3-38),(3-39),44/138,对于永磁电机，由于Lmf=Lmd，可将f表示为f=Lmfif=Lmdif。所以，可以将磁链方程式写为,带入电压分量方程，得,(3-40),(3-41),(3-42),(3-43),45/138,如果已知电感Ls、Lmd、Lmd、和if的情况下，由电压方程式可得图3-13(p112)的等效电路。,46/138,如果用感应电动势e0来表示rf，则可将电压分量方程表示为,对于上述插入式PMSM的电压分量方程，若令Ld=Lq=Ls，便可以转化为面装式PMSM的电压分量方程。,(3-44),(3-45),47/138,正弦稳态下，为,其中，r=s，s为电源电角频率。上式，可改写为,可得,(3-46),(3-47),(3-48),(3-49),(3-50),48/138,可得插入式和内装式PMSM稳态矢量图,49/138,可以看出，由于交、直轴磁路不对称，已将定子电流(磁动势)矢量is(fs)分解为交轴分量iq(fq)和直轴分量id(fd)(fs磁动势矢量)，这实际上体现了双反应理论的分析方法。同样，可以把图3-14(p113)的矢量图转换为A相绕组的向量图，如图3-15(p113)。a为插入式和内装式，b为面装式。,50/138,51/138,E0是永磁励磁磁场产生的运动电动势，有,通过空载试验可确定E0和r，如果已知Lmd，便可求得等效励磁电流if。,52/138,电磁转矩方程,同步电动机的电磁转矩,适用于插入式和内装式的PMSM。式中，等号右边第一项是由电枢和永磁体励磁磁场相互作用产生的励磁转矩，等号右边第二项是因直轴磁阻和交轴磁阻不同所引起的磁阻转矩。,53/138,曲线1表示的是励磁转矩，曲线2表示的是磁阻转矩，曲线3是合成转矩。当角小于/2时，磁阻转矩为负值，具有制动作用，当角大于/2时，磁阻转矩为正值，具有驱动作用。,te特性曲线，也叫做矩角特性,54/138,对于插入式和内装式的PMSM在恒转矩运行区，通过控制角，可以利用磁阻转矩来提高最大转矩。在恒功率运行区，通过调整和控制角，可以提高输出转矩和扩大调速范围。,55/138,在图3-12(p111)，的dq轴系中，有,带入同步电动机的电磁转矩表达式，可得,为电磁转矩方程将上式表示为,56/138,则有,为电磁转矩矢量方程。此式具有普遍性，适用于插入式和内装式，也适用于面装式。对于ABC轴系和dq轴系均适用。对于面装式PMSM，电磁转矩矢量方程为,57/138,3.2 基于转子磁场定向的矢量控制及控制系统,1 面装式三相永磁同步电动机的矢量控制及控制系统基于转子磁场的转矩控制对于面装式PMSM，电磁转矩,在dq轴系内通过控制is的幅值和相位，就可以控制电磁转矩。,58/138,dq轴系的d轴一定要与f方向一致，或者说dq轴系是沿着转子磁场定向的，通常称之为磁场定向。可得,所以决定电磁转矩的是定子电流q轴分量。iq称为转矩电流。如果控制=900电角度(id=0)，则is与f在空间正交，is=jiq，定子电流全部为转矩电流，此时可将面装式PMSM转矩控制表示为图3-17(p115)的形式。,59/138,图中，转子以电角度r旋转，在dq轴系内的is与f始终保持相对静止。,60/138,从转矩生成的角度看，可将面装式PMSM等效为他励直流电动机，如图3-18所示。,61/138,图中，PMSM的转子等效为直流电动机的定子，定子励磁绕组if为常值，产生的励磁磁场为f；PMSM的q轴线圈等效为电枢绕组，此时直流电动机电刷置于几何中性线上，电枢产生的交轴磁动势即为fq。可以看出交轴电流iq相当于他励直流电动机的电枢电流，控制iq就相当于控制电枢电流，可以获得与他励直流电动机同样的转矩控制效果。,62/138,弱磁与他励直流电动机不同，PMSM的转子励磁不可调节。为了能够实现弱磁，可以利用磁动势矢量fs，使其对永磁体产生去磁作用。若控制900，fs就会产生直轴去磁分量fd。这时，id的实际方向与正方向相反，即id0。,63/138,64/138,将is分解为id、iq两个相互正交的量，dq轴磁场间没有耦合，所以通过控制id、iq，可以各自独立地进行弱磁和转矩控制，实现了两种控制间的解耦。,65/138,坐标变换和矢量变换PMSM与三相异步电动机的定子结构相同。因此，其坐标变换和矢量变换也相同。假设已经将空间矢量由ABC轴系先变换到了静止DQ轴系，再通过如下旋转变换将其变换到同步旋转的dq轴系。如图3-21所示。,66/138,67/138,其含义是将图3-21(p116)中的静止的DQ绕组变换为具有dq轴线的换向器绕组，正是通过这种换向器变换，才将PMSM等效为直流电动机。因为换向器绕组具有伪静止特性，所以电压方程式中同样出现了运动电动势项rq和rd。,68/138,由静止ABC轴系到静止的DQ轴系的坐标变换为,由静止ABC轴系到同步旋转dq轴系的坐标变换为,69/138,可得,经过上式的变换，实际上是将等效的直流电动机还原为真实的PMSM。,70/138,矢量控制永磁同步电动机的矢量控制通过控制交轴电流iq可以直接控制电磁转矩，且te与iq间是线性关系。所以，从转矩控制来说，可以得到与他励直流电动机同样的控制品质。与三相感应电动机的矢量控制比较，面装式PMSM的矢量控制要简单容易得多。面装式PMSM只需要将定子三相绕组变换为换向器绕组，而三相感应电动机必须将定、转子三相绕组都变换为换向器绕组。,71/138,对于三相感应电动机而言，当采用直接定向方式时，转子磁链估计依据的是定、转子电压矢量方程，涉及多个电动机参数，电动机运行中参数变化会严重影响估计的精确性，即使采用“磁链观测器”也不能完全消除参数变化的影响，当采用间接定向方式时，依然摆脱不了转子参数的影响。对于PMSM，由于转子磁极在物理上是可测的，通过传感器可直接观测到转子磁场轴线位置，这不仅比观测感应电动机转子磁场容易实现，而且不受电动机参数的影响。,72/138,三相感应电动机的运行是基于电磁感应，机电能量转换必须在转子中完成，这使得转矩控制复杂化。在转子磁场定向的MT轴系中，如下关系是非常重要和关键的，即有,73/138,表明，在转子磁场恒定条件下，转子转矩电流it大小取决于运动电动势fr，即决定于转差角速度f。因此，转矩的大小是转差频率f的函数，且具有线性关系，如式(3-67)所示。式(3-68)表明，电能通过磁动势平衡由定子侧传递给了转子。,74/138,而且感应电动机为单边励磁电动机，建立转子磁场的无功功率也必须由定子侧输入。为保证转子磁链恒定或能够快速跟踪指令值的变化(弱磁控制时)，在直接磁场定向系统中需要对磁链进行反馈控制和比例微分控制。,75/138,三相同步电动机的运行原理是依靠定、转子双边励磁，由两个励磁磁场相互作用产生励磁转矩。转矩控制的核心是对定子电流矢量幅值和相对转子磁链矢量相位的控制。由于机电能量转换在定子中完成，因此转矩控制可直接在定子侧实现，这些都比感应电动机转差频率控制相对简单和容易实现。,76/138,PMSM的转子磁场由永磁体提供，如果不计温度和磁路饱和影响，可认为转子磁链恒定。如果不需要弱磁，与三相感应电动机相比，相当于省去了励磁控制，使控制系统更加简化。,77/138,所以，无论从能量的传递和转换，还是从磁场定向、矢量变换、励磁和转矩控制来看，PMSM都要比三相感应电动机直接和简单，其转矩生成和控制更接近于他励直流电动机，其动态性能更容易达到实际直流电动机的水平。因此，由PMSM构成的伺服系统，在数控机床、机器人等高性能伺服驱动领域、获得了广泛的应用。,78/138,定子电流矢量在ABC轴系中可表示为,式中，角由矢量控制确定；r是实际检测值。表明，在ABC轴系中的相位总是在转子实际位置上增加一个相位角。即，定子电流矢量is(也就是电枢反应磁场轴线)在ABC轴系中的相位最终还是决定于转子自身的位置，因此，将这种控制方式称为自控式。,79/138,自控式的电枢反应磁场超前于转子磁场电角度，无论动态还是稳态，都能严格地控制角。而传统的开环变频调速中采用的是他控方式，采用的V/f控制方式只能控制电枢反应磁场自身的幅值和旋转速度，而不能控制角，其实质是一种标量控制，这是其与矢量控制的根本差别。,80/138,矢量控制系统如图3-22(p119)，是一个面装式PMSM矢量控制系统的一个原理性框图。采用的是由位置、速度和转矩控制环所构成的串级控制结构。由转矩调节器的输出可得到交轴电流给定值iq*。直轴电流给定值id*，可根据弱磁运行的具体要求而确定，没有考虑弱磁的情况下，令id*=0，定子电流全部为转矩电流。,81/138,82/138,如图3-23(p119)。在正弦稳态下，PMSM运行于内功率因数角=0的状态。,83/138,在图3-22中，通过电流变换因子e-jr，进行静止ABC轴系到同步旋转dq轴系的矢量变换，即有,可得,式中，r是实测的转子磁极轴线位置，因此可保证dq轴系是沿着转子磁场定向的。,84/138,这里，在dq轴系内，将PMSM等效为一台他励直流电动机，控制iq就相当于控制直流电动机电枢电流。此时电磁转矩为,可将此转矩值作为转矩控制的反馈量。控制系统的设计可借鉴直流伺服系统的设计方法，位置调节器多半采用P调节器，速度和转矩调节器多半采用PI调节器。,85/138,对iq控制，最终还要通过三相电流iA、iB、iC来实现，为此还要将他励直流电动机还原为实际的PMSM，进行电流反变换。通过电流变换因子ejr，将is由dq轴系变换到了ABC轴系，即有,可得,86/138,图3-22(p119)中，对于定子三相电流采用了滞环比较的控制方式，此方式可以使定子电流，能快速跟踪参考电流，提高了系统的快速响应能力。除了滞环比较控制外，同三相感应电动机定子电流控制一样，还可以采用斜波比较控制或者预测电流控制等方式。也可以在dq轴系内对id、iq采用PID控制方式。,87/138,例如采用PI调节器作为电流调节器，调节器的输出为ud*、uq*，经过坐标变换，可得,将uA*、uB*、uC*输入电压源逆变器，再采用适当的PWM技术控制逆变器的输出，使实际的三相电压能严格地跟踪参考电压。,88/138,2 插入式三相永磁同步电动机的矢量控制及控制系统插入式和内装式PMSM将永磁体嵌入或内装在转子铁心内，在结构上增强了可靠性，可提高运行速度；能够有效地利用磁阻转矩，提高转矩/电流比；还可降低永磁体的励磁磁通，减小永磁体的体积，既有利于弱磁运行，扩展速度范围，又可降低成本。,89/138,为分析方便，将转矩方程标幺值化，写成,转矩方程：,式中，ten为转矩标幺值；iqn为交轴电流标幺值；idn为直轴电流标幺值。,90/138,使用标幺值的特点是公式中消除了所有的参数。,各标幺值的基值定义为,91/138,上式(3-76)表明，在电动机结构确定后，电磁转矩的大小由定子电流的两个分量决定。但是，对于每一个ten，iqn和idn都可以有无数种组合相对应。这就需要确定两个电流分量的匹配原则，也就是定子电流的优化控制问题。优化的目标不同，两个电流分量的匹配原则和控制方式就不同。,92/138,电动机在恒转矩运行区，因转速在基速以下，铁耗不是主要的，铜耗占的比例较大，通常选择按转矩/电流比最大的原则来控制定子电流。这样做，不仅使电动机铜耗最小，还减小了逆变器和整流器的损耗，也降低了总损耗。,93/138,电动机在恒转矩运行区时，对应每一转矩，可由标幺值化的转矩方程求得不同组合的电流标幺值idn和iqn。于是可在idn-iqn平面内得到与该转矩相对应的恒转矩曲线，如图3-24(p121)的虚线所示。每条恒转矩曲线上都有一点与坐标原点最近，这一点就是与最小定子电流相对应的点。,94/138,将各条恒转矩曲线上的这样的点连起来，就确定了最小定子电流矢量轨迹，如图3-24(p121)的实线所示。,95/138,对上式求极值，可得这两个电流分量的关系,图3-24(p121)中，定子电流矢量轨迹在二、三象限上对称分布。第二象限内转矩为正，是驱动作用。第三象限内转矩为负，是制动作用。轨迹在原点处与q轴相切。,96/138,当转矩值较低时，轨迹靠近q轴，表示励磁转矩起主要作用。随着转矩的增大，轨迹渐渐远离q轴，这表明磁阻转矩的作用在增大。,97/138,图3-25(p122)给出了插入式和内装式PMSM恒转矩矢量控制简图，电动机仍由具有快速电流控制环的PWM逆变器供电，其它控制环节图中没有画出。,98/138,图3-25(p122)中，FG1和FG2为函数发生器，是根据式(3-78)和式(3-79)构成的，即,图3-26(p122)给出了这两条曲线。,99/138,FG1和FG2的输出可转换为两轴电流指令id*、iq*。利用矢量变换ejr，将id*、iq*变换为ABC轴系的三相参考电流iA*、iB*和iC*。转子位置r是实际检测的，此角度用于矢量变换。,100/138,图3-25(p122)的控制系统是按照转矩/电流比最大方案控制的，可以提高系统的额定容量，降低成本。可以看出，提高转矩生成能力是插入式和内装式PMSM的优点之一，但这是以提高电动机制造成本为代价的，因为转子结构要复杂些。,101/138,3.3 弱磁控制与定子电流最优控制,1 弱磁控制基速和转折速度逆变器向电动机所能提供的最大电压要受到整流器最大输出电压的限制。在正弦稳态下，电动机定子电压矢量us的幅值直接与电角频率s，即与转子电角速度r有关，电动机的运行速度要受到逆变器所能输出的最大电压的限制。,102/138,在正弦稳态下,dq轴系的电压方程,103/138,dq轴系中的电压分量方程为,且有,在电机高速运行时上式中的电阻压降可以忽略不计，则,104/138,应有,式中，|us|max为|us|可以达到的最大值。在空载时，可以忽略空载电流，有,105/138,定义空载电动势e0达到|us|max时的转子速度为速度基值，记为rb。由上式，可得,式中，Lmf为面装式PMSM永磁体等效励磁电感，对于插入式和内装式PMSM应为Lmd。,106/138,在负载情况下，当面装式PMSM在恒转矩运行区运行时，通常控制定子电流矢量相位角为90o电角度，则有id=0和iq=is，可得,定义恒转矩运行区，定子电流为额定值，|us|达到极限值时的转子转速为转折速度，记为rt。,107/138,对比表明，由于电枢磁场的存在使转折速度小于基值速度，但是，由于面装式PMSM的同步电感Ls较小，两者还是很相近的。对于于插入式和内装式PMSM，则有,108/138,当90o时，上式中的id应为负值，此时直轴电枢磁场会使定子电压降低，而交轴电枢磁场会使定子电压升高，两者的不同作用也反映在稳态矢量图3-14(p113)中。,109/138,2 电压极限圆和电流极限圆将,转换为标幺值形式，即有,式中，id、iq和r的基值为额定值isn和rn；,110/138,为凸极系数，=xq/xd，对于面装式PMSM，=1。对于插入式和内装式PMSM，1.0。定子电压|us|要受到逆变器电压极限的制约，有,111/138,同样，受到逆变器输出电流能力的限制，定子电流也有一个极限值,也即是,以上几式构成了电压极限椭圆和电流极限圆。如图3-27(p123)。图中电流极限圆的半径为1，也就是设定ismax为额定值。,112/138,113/138,上式可以看出，电压极限椭圆的两轴长度与速度成反比，随着速度的增加，椭圆逐渐变小。由于定子电流矢量is既要满足电流极限方程，又要满足电压极限方程，所以定子电流矢量is一定要在电流极限圆和电压极限圆内。例如：当r=r1时，is要被限制在ABCDEF范围内。,114/138,3 弱磁控制方式弱磁控制与定子电流最优控制如图3-28,115/138,图3-28中给出了电压极限椭圆和电流极限圆，还给出了最大转矩/电流比轨迹。对于面装式PMSM，该轨迹为q轴，对于插入式和内装式PMSM，该轨迹与图3-24(p121)中的定子电流矢量轨迹相对应，两轨迹与电流极限圆各自相交于A1点。,116/138,落在电流极限圆内的轨迹为OA1线段，这表明电机可以在此段轨迹的每一点上作恒转矩运行。通过该点的电压极限椭圆对应的速度，就是电动机可以达到的最大速度。恒转矩值越高，电压极限椭圆的两轴半径越大，可达到的最高转速越低。其中，A1点与最大输出转矩相对应，如图3-29(p124)。,117/138,118/138,通过A1点的电压极限椭圆对应的速度为r1，r1就是转折速度。如果用标幺值表示，则有,对于A1点运行，由dq轴系中的电压分量方程可得电压极限方程,119/138,式中，uq|max和ud|max分别为定子电压|uq|max的交轴和直轴分量。对于A1运行点，可得其动态电压方程,也就是，当电机运行在A1点时，电流调节器处于饱和状态，控制系统失去了对定子电流的控制能力。,120/138,在这种情况下，电流矢量is将会脱离A1点，图3-28b(p124)可见，其可能向右移动，也可能向左移动。如果在A1点能够控制交轴分量iq逐渐减小，直轴分量id逐渐增大，将会使定子电流矢量is向左移动。由图3-14(p113)和式(3-85)可知，这会使定子电压|us|减小，于是|us|us|max，使调节器退出饱和状态，系统就可以恢复对定子电流的控制功能。,121/138,随着id逐渐增大和iq逐渐减小，转子的速度范围就会得到逐步的扩展。这主要是因为反向直轴电流产生的磁动势会对永磁体产生去磁作用，减弱了直轴磁场，所以将这一过程称为弱磁。在弱磁过程中，对id和iq的控制称为弱磁控制。,122/138,在弱磁控制中，保持定子电流为额定值，定子电流矢量is的轨迹将会从A1点沿着圆周逐步移向A2点。当控制=180o时，定子电流全部为直轴去磁电流，由式(3-92)(电压极限园)，可得,极限情况是，当e0+xdid=0时，电动机速度会增至无限大，此运行点为图3-28中电压极限椭圆的原点A4其坐标为A4(-e0/xd，0)。,123/138,但这种情况一般是不会发生的。因为如果e0+xdid=0，在实际中必须有Lmdif+Ldid=0(均以实际值表示)的条件。由于Lmd与Ld近乎相等，而if通常是个大值，由于受到电流极限圆的限制，|id|又不可能过大，所以，弱磁效果是有限的。,124/138,即使逆变器容量足够大，还要考虑永磁体的不可逆退磁。所以与三相感应电动机相比，永磁同步电机弱磁能力有限，速度扩展范围小，是这种电机的一个不足。,125/138,2 定子电流最优控制,伺服系统是由PMSM和逆变器构成的，电动机的转矩、功率和速度等输出特性受到逆变器供电能力的制约。但是，在不超过逆变器供电极限的情况下，仍然可以用一定的规律控制定子电流矢量，使电动机输出特性能满足某些特定的要求，这就是要讨论的定子电流最优控制问题。,126/138,最大转矩/电流比控制由电磁转矩方程,可得到以标幺值形式给出的功率方程式和转矩方程式,127/138,图3-28(p124)中，最大转矩/电流比轨迹与电流极限圆相交于A1点。显然，应该控制定子电流矢量is不超过轨迹OA1的范围。将标幺值形式的电磁转矩方程 写成如下形式,128/138,此时,求极小值，得满足转矩/电流比最大的定子电流矢量is的空间相位角,对于面装式PMSM，=1，=/2，即有id=0。,129/138,以上两式给出了某一转矩给定值下，可以满足最大转矩/电流比要求的id和iq。而式(3-104)式(3-106)给出了在恒转矩运行区，满足最大转矩/电流比的电流控制规律，使定子电流矢量is的轨迹不离开线段OA1。,130/138,A1点与最大转矩输出相对应，可得其转折速度为,对于面装式PMSM，=/2，转折速度为,式中，rt为图3-28a(p124)中的r1。,131/138,最大功率输出控制为扩展PMSM的速度范围，可以采取弱磁控制，在弱磁运行区，电动机通常做恒功率输出，也可以要求其输出功率最大。标幺值形式的功率方程式为,132/138,对上式求极大值，并考虑电压极限圆的电压约束，可推导出在电压极限下，满足这一最优控制的定子电流矢量，其dq轴电流分量为,式中,133/138,图3-28(p124)给出了能满足最大功率输出的定子电流矢量轨迹。此轨迹与电流极限圆相交于A2点，与此点对应的速度为r2。这是在电压极限的约束下，电动机能以最大功率输出的最低速度。当速度低于r2时，因定子电流矢量轨迹与电压极限椭圆的交点将会落在电流极限圆外，所以这些运行点是达不到的。,134/138,在A2点以下，即当rr2时，如果按照上述规律控制定子电流矢量，就可获得最大功率输出。定子电流矢量沿着该轨迹向A4点逼近，A4点的坐标是：id=-e0/xd，iq=0。这是一个极限运行点，理论上电动机转速可达无穷大。,135/138,如果e0/xd|id|max，则最大功率输出轨迹将落在电流极限圆外，如图3-30(p126)，在这种情况下，最大功率输出是无法实现的。,136/138,综上，如图3-28(p124)，在整个速度范围内对定子电流矢量可做如下控制：区间I(rr1)：定子电流可按式(3-104)式(3-106)控制，定子电流矢量将沿着最大转矩/电流比轨迹变化。区间II(r1rr2)：若电机已经运行于A1点，且转速达到了转折速度(r=r1)，可控制定子电流矢量由A1点沿着圆周向下移动，这实际就是弱磁控制，随着速度的增加，定子电流矢量由A1点移动到A2点。,137/138,区间III(rr2)：id和iq可按式(3-109)和式(3-110)进行控制，定子电流矢量沿着最大功率输出轨迹由A2点向A4移动。当然，如果e0/xd|id|max，这种控制就不存在了。在这种情况下，可将区间II的控制由A2点延伸到A3点，如图3-30(p126)：与A3点对应的转速为r3，这是弱磁控制在理论上可达到的最高转速。,138/138,139/138,图3-31(p127)给出了面装式PMSM的功率输出特性，图中的参数与图3-28a(p124)中相同。在区间I，电动机恒转矩输出，且输出最大转矩，输出功率与转速成正比。在区间II，若不进行弱磁控制，输出功率将急剧减少，如图中虚线，若进行弱磁控制，输出功率将继续增加。在区间III，通过控制id和id可输出最大功率，并保持几乎不变。,