模塊3-永磁同步電機(jī)及控制

永磁同步電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制永磁同步電機(jī)概述永磁同步電動(dòng)機(jī)（PermanentMagnetSynchronousMotor，縮寫為PMSM）定子與異步電動(dòng)機(jī)相同，也是三相繞組轉(zhuǎn)子為永磁轉(zhuǎn)子特點(diǎn)效率和功率因數(shù)都很高控制精度高體積小、重量輕廣泛用于乘用車同步電機(jī)概述永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子：鐵心和三相繞組，與異步電機(jī)相同轉(zhuǎn)子：鐵心和永磁磁極同步電機(jī)概述永磁同步電動(dòng)機(jī)為什么能轉(zhuǎn)起來三相定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子磁極定子磁場(chǎng)會(huì)領(lǐng)先轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一個(gè)角度，磁力線被扭曲而產(chǎn)生磁拉力磁力線是有彈性的（a）空載時(shí)（b）帶負(fù)載時(shí)磁力線被扭曲了！正方向慣例是分析各交流量彼此關(guān)系的基礎(chǔ)電流：從電源高電位點(diǎn)流入線圈（圖中從A進(jìn)X出）E與I反向（圖中從X進(jìn)A出）右圖還畫出了三相定子線圈軸線方向時(shí)間與空間向量IEU×●電流I的正方向電動(dòng)勢(shì)E的正方向AX+A+B+C時(shí)間與空間向量時(shí)間向量與空間向量A相電流與三相磁場(chǎng)三相合成磁勢(shì)Fa方向A相電流時(shí)間向量時(shí)間向量圖+j空間向量圖

定子電壓、電流、電勢(shì)等（僅分析A相）大小和相位可用時(shí)間向量表示，定、轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)或磁鏈、磁勢(shì)等的方向可用空間向量表示。

為分析方便，常將兩種向量圖重疊起來。

根據(jù)規(guī)定的正方向，當(dāng)A相電流為正的最大值時(shí)，定子三相電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（磁勢(shì)Fa）方向恰在A相軸線上。

+A+B+C若將兩圖的坐標(biāo)重疊起來，可以發(fā)現(xiàn)，與方向相同且一起旋轉(zhuǎn)。時(shí)間與空間向量轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子相電勢(shì)時(shí)間向量圖如圖為轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的空間向量，右圖畫出A相繞組在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中感應(yīng)電勢(shì)時(shí)間向量。E0為無載電勢(shì)。E0的大小與磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)速有關(guān)（類似異步電機(jī)）：E0∝f1Φ

空間向量圖+j此時(shí)A相繞組電勢(shì)為正最大值E0的時(shí)間向量+A+C+B×●若將兩圖的坐標(biāo)重疊起來，可以發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)先90°。磁場(chǎng)空間向量定子磁勢(shì)：由定子三相電流合成，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。可以將定子磁勢(shì)看成一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)向量，其方向代表磁場(chǎng)方向。轉(zhuǎn)子磁勢(shì)：可以將轉(zhuǎn)子永磁體看成磁勢(shì)，也是一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)向量，其方向代表轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向。氣隙磁勢(shì)：由定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成。時(shí)間與空間向量-轉(zhuǎn)子磁勢(shì)-氣隙磁勢(shì)-定子磁勢(shì)永磁同步電機(jī)的電抗

定子電流I產(chǎn)生主磁通（過氣隙到達(dá)轉(zhuǎn)子）與漏磁通（不經(jīng)過氣隙），這些交變磁通都會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電流之比就是電抗，分別稱為電樞反應(yīng)電抗Xa與漏電抗X1，兩者之和稱為同步電抗Xc。以后分析基本原理時(shí)，常忽略漏電抗，即認(rèn)為Xc=Xa。電流I主磁通電樞反應(yīng)電勢(shì)EaXaX1漏磁通漏電勢(shì)永磁同步電機(jī)的電抗d軸與q軸

電機(jī)線圈的電感或電抗與磁路的磁阻有關(guān)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的永磁部分磁阻比鐵心要大得多（接近空氣的磁阻），這兩部分產(chǎn)生磁場(chǎng)情況很不相同。所以在轉(zhuǎn)子上建立兩個(gè)坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)子磁極中心線方向稱為d軸，兩個(gè)磁極之間的中心線方向稱為q軸。

對(duì)于嵌入式或內(nèi)置式永磁，d軸比q軸磁阻大，d軸的電感（或電抗）就比q軸小，即Xd＜Xq

。

對(duì)于表面貼裝式永磁，d軸與q軸磁阻基本相同，對(duì)應(yīng)的電感（或電抗）都相同，即Xd=Xq=Xc。（a）嵌入式（b）表面貼裝式（c）內(nèi)置式非磁性材料永磁鐵芯電樞反應(yīng)同步電機(jī)的電樞反應(yīng)d軸q軸

電樞反應(yīng)：指定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的影響。根據(jù)定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的相對(duì)位置，電樞反應(yīng)有三種情況：去磁、交磁與助磁電樞反應(yīng)。去磁電樞反應(yīng)交磁電樞反應(yīng)助磁電樞反應(yīng)d軸q軸d軸q軸永磁同步電動(dòng)機(jī)向量圖*磁勢(shì)與電勢(shì)的關(guān)系（以Xd=Xq為例）三個(gè)磁勢(shì)：轉(zhuǎn)子磁勢(shì)F0、定子磁勢(shì)Fa與氣隙合成磁勢(shì)Fδ，相應(yīng)的磁通將分別在定子相繞組中產(chǎn)生三個(gè)電勢(shì)：無載電勢(shì)E0、電樞反應(yīng)電勢(shì)Ea（一般寫成電抗壓降IXa形式）與氣隙電勢(shì)Eδ。Eδ是定轉(zhuǎn)子合成磁場(chǎng)在定子相繞組感應(yīng)的總電勢(shì)，對(duì)應(yīng)于異步電機(jī)的E1。定子電壓U與Eδ加漏阻抗之和相平衡，忽略定子漏阻抗壓降時(shí)，有U=Eδ。左邊三角形逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°，就得到右邊三角形，表示了定子電壓平衡關(guān)系。θq軸d軸n1SNθ+j永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程定子電壓平衡方程（Xd=Xq時(shí)）等效電路和簡(jiǎn)化的向量圖

其中：E0-轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的電勢(shì)（無載電勢(shì)）；r-定子繞組相電阻；Xa-定子繞組電樞反應(yīng)電抗；Xc-定子繞組同步電抗。θ+jNSd軸q軸永磁同步電動(dòng)機(jī)功率關(guān)系輸入功率：電磁功率其中pcu-定子銅損耗電磁功率的另一種表達(dá)式：

或U、I為定子相電壓、相電流Ul、Il為定子線電壓、線電流基本電磁功率（永磁功率）凸極功率（磁阻功率）永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率輸出功率電機(jī)的效率永磁同步電機(jī)功率流動(dòng)圖其中p0為機(jī)械損耗功率，稱為鐵損耗，包括鐵心損耗pFe和機(jī)械損耗pΩ。目前永磁同步電機(jī)效率可達(dá)96%！輸入功率電磁功率輸出功率永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由公式

其中為同步角速度可得到基本電磁轉(zhuǎn)矩（永磁轉(zhuǎn)矩）凸極轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩）

上式前一項(xiàng)是基本電磁轉(zhuǎn)矩，或稱永磁轉(zhuǎn)矩。后一項(xiàng)是由Xd≠Xq即d、q軸磁阻不同引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)Xd=Xq時(shí)公式只有前一項(xiàng)，后一項(xiàng)為零。永磁同步電動(dòng)機(jī)的功角特性功角特性（矩角特性）

電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩公式形式類似，曲線也類似。以轉(zhuǎn)矩特性為例：1-勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩；2-凸極轉(zhuǎn)矩；3-總電磁轉(zhuǎn)矩

其中勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩與sinθ成正比，凸極轉(zhuǎn)矩與（Xd-Xq）及sin2θ成正比。

對(duì)于嵌入類永磁轉(zhuǎn)子，Xd＜Xq，當(dāng)θ＜90°時(shí)，凸極轉(zhuǎn)矩＜0；當(dāng)θ＞90°時(shí)，凸極轉(zhuǎn)矩＞0。總的功角特性如曲線3，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在θ＞90°時(shí)。

對(duì)于表面貼裝類永磁轉(zhuǎn)子，Xd=Xq，凸極轉(zhuǎn)矩為零，功角特性如曲線1。當(dāng)θ=90°時(shí)轉(zhuǎn)矩最大。(Pem)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)開始時(shí)定子電壓頻率都很低，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)調(diào)整定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位置，使得定、轉(zhuǎn)子的磁極迅速對(duì)準(zhǔn)并吸合在一起后再提高電壓和頻率牽動(dòng)轉(zhuǎn)子加速。與異步電機(jī)相同，只要將定子任意兩相繞組對(duì)調(diào)即可。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制同步電機(jī)回饋發(fā)電制動(dòng)與能量回收轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，轉(zhuǎn)子拖著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)，電機(jī)即進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，可給蓄電池充電（也稱再生制動(dòng)）同步電動(dòng)機(jī)同步發(fā)電機(jī)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制基本調(diào)速模式（與異步電機(jī)類似）改變定子電流頻率，即可改變磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但頻率變化不可太快，否則會(huì)出現(xiàn)失步基速以下：U與f成定比例降低，電流和氣隙磁通基本不變（恒轉(zhuǎn)矩）基速以上：U、I不變，提高頻率，并可利用去磁電樞反應(yīng)弱磁調(diào)速（恒功率）永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)與異步電機(jī)類似，多采用SPWM的逆變器來控制傳感器：踏板位置、定子電流、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速等調(diào)整U、I、f及定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)位置，即可調(diào)整轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。功率變換電路（主電路）控制電路轉(zhuǎn)子位置傳感器定子電流傳感器永磁同步電機(jī)命令信號(hào)電流信號(hào)反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速位置信號(hào)反饋永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)與異步電機(jī)類似，多采用SPWM的逆變器來控制傳感器：踏板位置、定子電流、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速等調(diào)整U、I、f及定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)位置，即可調(diào)整轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。功率變換電路（主電路）控制電路轉(zhuǎn)子位置傳感器定子電流傳感器永磁同步電機(jī)命令信號(hào)電流信號(hào)反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速位置信號(hào)反饋永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制電流信號(hào)反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速位置信號(hào)反饋永磁同步電機(jī)的運(yùn)行控制電流信號(hào)反饋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速位置信號(hào)反饋永磁同步電機(jī)的控制策略*

【例1】當(dāng)轉(zhuǎn)速n、頻率f一定時(shí)，E0、Ω、Xd都是固定值，所以Tem∝Usinθ（即右圖中向量E0與U之間的橫向距離）。從右圖可見，當(dāng)Id=0、I=Iq，即電流僅有轉(zhuǎn)矩分量時(shí)，產(chǎn)生同樣電磁轉(zhuǎn)矩所需電流最小。

這種策略多用于基速以下調(diào)速。

所謂控制策略，是指通過調(diào)整定子電壓電流的大小、頻率或相位，達(dá)到某種最佳效果，例如同樣電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大、或功率因數(shù)最高、或盡量提升最高轉(zhuǎn)速以擴(kuò)大調(diào)速范圍等。下面以Xd=Xq（忽略磁阻轉(zhuǎn)矩）為例。

此時(shí)有θd軸q軸定子磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向永磁同步電機(jī)的控制策略*

【例2】當(dāng)需要較高轉(zhuǎn)速時(shí)，可保持定子電壓U不變，提高頻率f，則E0、Ω、Xc以及轉(zhuǎn)速n都將成比例提高。從右圖可見，定子電流以及定子磁場(chǎng)的方向發(fā)生了變化，定子電流出現(xiàn)了去磁電樞反應(yīng)（Id≠0），此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)被削弱。電機(jī)進(jìn)入弱磁調(diào)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速提高而轉(zhuǎn)矩減小。

這種策略多用于基速以上調(diào)速。θd軸q軸定子磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)變壓器簡(jiǎn)稱“旋變”，屬于電磁式傳感器，用于角度或速度測(cè)量安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上多用于永磁同步電機(jī)，可檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置和轉(zhuǎn)速有多種不同結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器基本工作原理

與變壓器類似，初級(jí)（一次側(cè)）輸入交流信號(hào)時(shí)，次級(jí)（二次側(cè)）就會(huì)感應(yīng)出同頻率的電壓信號(hào)，其幅值與兩邊匝數(shù)比有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器基本工作原理

與變壓器不同之處是，它的原邊與副邊不是固定安裝的，而是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。隨著兩者相對(duì)角度的變化，在輸出側(cè)就可以得到幅值變化的波形，并且輸出電壓的幅值與偏轉(zhuǎn)角度也有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器基本工作原理

實(shí)際的旋轉(zhuǎn)變壓器做成類似電機(jī)的結(jié)構(gòu)，定子上安裝勵(lì)磁繞組S1S2，轉(zhuǎn)子上安裝兩套互相垂直的繞組R1R3和R2R4。當(dāng)定子繞組加上高頻勵(lì)磁電壓U（通常幾kHz），在轉(zhuǎn)子兩套繞組R1R3和R2R4中都會(huì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（空載電壓），其頻率與勵(lì)磁電壓頻率相同，幅值與轉(zhuǎn)子線圈相對(duì)于定子線圈的偏轉(zhuǎn)角度θ有關(guān)，即：θR1R3R2R4S2S1UUR13=k·U·sinθUR24=k·U·cosθ

式中：U-勵(lì)磁電壓幅值；UR13-繞組R1R3上的電壓幅值；UR24-繞組R2R4上的電壓幅值；k—變比（轉(zhuǎn)子與定子匝數(shù)比）；θ—轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號(hào)波形與應(yīng)用

當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)一周，θ角變化360°，轉(zhuǎn)子輸出的sin、cos信號(hào)幅值將在零與最大值之間周期性變化（如右圖）。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的sin、cos信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路分析處理后，即可計(jì)算出同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速、以及轉(zhuǎn)子永磁磁極相對(duì)于定子繞組的位置。R1-R3(sin)R2-R4(cos)S1-S2(勵(lì)磁)旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)從轉(zhuǎn)子輸出sin、cos信號(hào)就需要電刷，稱為有刷旋變。為了取消電刷，實(shí)際多采用無刷旋變無刷旋變結(jié)構(gòu)繞線式旋變（同步電機(jī)多用）磁阻式旋變（異步電機(jī)多用）繞線式旋變：轉(zhuǎn)子與定子磁阻式旋變：轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)變壓器繞線式旋變ABA-環(huán)形變壓器；B-旋轉(zhuǎn)變壓器A的定子繞組A的轉(zhuǎn)子繞組B的轉(zhuǎn)子繞組B的定子繞組轉(zhuǎn)子部分θA-環(huán)形變壓器，定子加勵(lì)磁電壓U，轉(zhuǎn)子將感應(yīng)的勵(lì)磁信號(hào)傳遞給旋變B。A與B的轉(zhuǎn)子繞組彼此相連。B-旋轉(zhuǎn)變壓器，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ時(shí)，定子兩套互相垂直的繞組將輸出信號(hào)，其幅值分別與sinθ和cosθ成正比。勵(lì)磁電壓U輸出(cos)輸出(sin)旋轉(zhuǎn)變壓器磁阻式旋變

磁阻式旋變的勵(lì)磁繞組與輸出sin、cos繞組都安裝在定子上，轉(zhuǎn)子僅有鐵心而無繞組。勵(lì)磁繞組通以高頻電壓（1-10kHz）。定子通常有若干齒（槽），里面繞上線圈。轉(zhuǎn)子表面做成一定凸極形狀，使得氣隙磁阻（以及氣隙磁通密度）沿圓周基本按正弦變化。并且通常定子齒數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)不同。如下圖中定子有14個(gè)齒，轉(zhuǎn)子有5個(gè)凸極，相當(dāng)于5對(duì)磁極（p=5）。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個(gè)凸極，氣隙磁阻就變化一個(gè)周期。氣隙大、磁阻大氣隙小、磁阻小旋轉(zhuǎn)變壓器磁阻式旋變

勵(lì)磁繞組與兩個(gè)輸出繞組（sin、cos）的關(guān)系，就像變壓器的初級(jí)與兩個(gè)次級(jí)的關(guān)系。它們按一定規(guī)律繞在定子齒上，通常每個(gè)齒都繞上勵(lì)磁線圈，但sin、cos繞組則彼此要錯(cuò)開一定齒數(shù)以確保二者感應(yīng)電勢(shì)幅值（與氣隙磁通密度的分布有關(guān)）彼此相位差90°。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出繞組