永磁同步电机的算法实现与调试

Ls .iα − n.φr . cos(θ r ) = ∫ (vα − RS .iα )dt Ls .iβ − n.φr .sin (θ r ) = ∫ (vβ − RS .iβ )dt
iMotion Training / IR Confidential
电流检测接口
• 检流电阻大小和放大电路增益确定电流调节器工作范 围 • 确认逆变器容量与电机相配
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
Clark 变换: 3φ ó 2φ
正向Clark变换
1 φα 2 φ = . β 3 0 Simplified : φα φ = β 2009-9-28 −1 2 3 2 − 1 φ u 2 . φ v − 3 φ 2 w
整个磁场随转子转动而转动
2009-9-28 iMotion Training / IR Confidential
交流电机磁场: 定子
•定子磁场由线圈x和y中的电流产生. •气隙磁通由线圈x和y的磁通合成.
is = (ix , i y ) ( spatial vector)
•如果线圈x和y中的电流是正弦且正交，则产生的磁动势mmf和磁通将按此电流的频率旋转. ix = Is.cos(wt) •三相绕组电机情同此理. iy = Is.cos(wt-p/2)
2009-9-28
MCE
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
电流检测与转子角度反馈
• 定子绕组上的反电势是 转子角度的函数 • 定子电流反电势和施加 电压的函数 ⇒ 转子角度可以从定子电 流估算 ⇒ 1. 电压和电流等效变换 为两相 ⇒ 2. 通过积分计算磁通 ⇒ 角度计算导出转子磁通α 和β轴分量，分别是转子 角度的正弦和余弦函数.
T = P ⋅ φa ⋅ iq + (Ld − Lq )⋅ id ⋅ iq = P ⋅ φa ⋅ I a ⋅ cos β + k ⋅ I a ⋅
2
[
]
∂L ∂θ
磁阻转矩
磁场不变 磁场随角度变化
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
IPM电机提高转矩/安培数
2009-9-28
vu iu Three Phase Inverter vv iv vw iw
d α vα = RS .iα + LS . di φr . cos(θ r )) dt + dt (− n.
Rs Rs
Ls Ls
eu ev
Rs
Ls
ew
vβ = RS .iβ + LS . ∴
diβ dt
d (− n.φr . sin (θ r )) + dt
iMotion Training / IR Confidential
2009-9-28
弱磁概念
• Vd和Vq的矢量和受限于母线电 压
– 最大无负载转速时反电势达 到母线电压限制时的速度 – 额定速度是比能提供额定转 矩的速度还小一点的速度
•
弱磁时d轴注入电流减弱电机 磁通减小绕组感应电压
– 转矩常数Kt减小是因为磁通 减小
开环交流电机控制
• V/Hz 控制
• 施加电压固定比例于频率
– 磁通固定 – 电流不可控 – 速度随负载变化时转矩不可控
V = j.ω.φ
i1
i2
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
闭环交流电机控制
• 控制所加电压以输出期望的电流（转矩）
• 矢量控制/磁场定向控制
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
交流电机中的转矩
Tx = ∫ Bx (θ ).nx (θ ).ix .dθ Tx = N x .I x .φx . cos(δ )
0
2.π
§当定子磁动势与转子相互作用----呈正交位置，转矩最大. §当负载角(d)>90o ，正交的定子分量在产生转矩外还会 产生直轴分量抵消转子磁场，也就是弱磁 §转矩是转子磁通和定子电流的函数.
e
j
V
Vw Rotor angle ( ) I
Iu Iv Iw Measured Stator AC currents
e
-j
3 -2 I
•控制原理在旋转坐标系中实现 •在稳定状态，电压和电流为常数 •解耦为磁场分量和转矩分量的电流控制
2009-9-28 iMotion Training / IR Confidential
w
slip
u
r
v
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
交流电机磁场: 参考坐标系
q
r
d
固定坐标系: •站在定子上观察磁通. •旋转的转子磁通是交变的 •定子磁通，电压和电流都是交流量.
旋转坐标系: •站在旋转的转子上观察磁通. •转子磁通是直流量 •定子磁通也是直流量 •通常将三相定子线圈等效变换为两相.
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
交流同步电机
§转子速度同步于定子电压 §通直流电的线圈的转子或嵌入有永磁体的 转子 §旋转的气隙磁场同步于转子角度 §定子以转子的频率产生电压（反电动势） §定子施加的电压和电流需要和转子频率同 步 •在并入电网（固定频率）之前产生的 电压和频率必须和电源接近 •在调速系统中，你需要转子位置信息 来执行控制
完整的调速系统
• •
速度调节器速度给定和速度反馈计算出转矩要求. 永磁同步电机调速系统需要转子位置和速度信息
– 工业上用旋转变压器或编码器 – 家电上要求无传感器控制
•
通过调整 Id实现额定转速以上运行
– 额定速度以上，母线电压不能克服反电势电压
iMotion Training / IR Confidential
•对于直流电机所有的控制变量 都是线性的!
p
= Lf.if
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
交流电机绕组
Quadrature Axis - Q
•典型的交流电机绕组由分布的线圈组成，在气隙中产生正弦的磁动势mmf（由安匝数决定）. •实际的绕组由于受线圈数的限制，所以实际的磁动势是一个正弦的基波加上谐波! •气隙磁通也呈正弦分布. •产生电压的磁通函数(N.f)沿直轴方向(D) •产生转矩的磁动势mmf函数(N.i)沿交轴方向(Q).
•
总电流受限于电机热设计， 所以d轴上有电流时，电流Iq 要小一些
– 可输出转矩减小
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
弱磁
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
Kx
内嵌磁钢电机(IPM)
表贴磁钢 内嵌磁钢
iMotion 设计培训 永磁同步电机控制算法实现与 调试 Tuning
梁国柱 IR应用中心
2009-9-28 iMotion Training / IR Confidential
培训内容
• 磁场定向控制理论（FOC） • • • • 磁场定向控制算法实现 控制参数调试 低速转矩补偿 功率因数校正
反向Clark变换
φu 1 φ = − 1 v 2 −1 φw 2 0 3 φα . 2 φβ − 3 2
φu φv − φ w 3
iMotion Training / IR Confidential
• 将定子交流电流分解为转矩电流和磁场电流 • 对两个分量分别进行控制以输出期望的转矩
2009-9-28 iMotion Training / IR Confidential
交流电机FOC控制
Rotating reference frame Stator voltages Id* Id Id controller Vd Vq Torque Iq* demand Iq Iq Controller Id Iq Rotating reference frame Stator currents V Applied Stator AC voltages Vu SPACE VECTOR PWM -3 Vv
Torque
Main Torque Net Torque
IPM电机最大转 矩控制
Reluctance Torque
转 矩
IPM 电机弱磁区
-90
-60
-30
0
30
60
90
SPM电机常 规控制
速度
IPM Torque function :
1 2 T = P Φ ａ Iａ cos β + (Lq − Ld )Iａ ⋅ sin 2β 2 n
Park 变换: ejθ 矢量旋转
旋转坐标系到固定坐标系
φα cos(θ ) − sin(θ ) φd . φ = β sin(θ ) cos(θ ) φq
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
2009-9-28
iMotion Training / IR Confidential
永磁同步电机FOC控制
• 基于转子角度的矢量变换将定子电流分解为准直流的分量: