PMSM控制方式FOC-MTPA-弱磁简介.pptx
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PMSM控制方式FOC-MTPA-弱磁简介.pptx
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主要内容一、IPMSM简介二、PMSM的数学模型及FOC控制方式三、最大转矩电流比MTPA控制四、弱磁控制一、IPMSM简介永磁同步电机(PMSM)根据永磁体的装嵌方式分为面装式PMSM和插入式PMSM(interiorpermanentmagnetsynchronousMotor,IPMSM)。
对于IPMSM,由于永磁材料的磁导率近似于空气磁导率故具有凸极效应,结构性凸极会产生附加的磁阻转矩,在弱磁的恒功率区域具有更大的输出转矩,使IPMSM有更宽广的调速范围。
IPMSM的转子采用永磁体且没有绕组,控制的复杂性要低于异步电动机;同时由于其本身的高功率密度与高效率,使其在电动乘用车的应用领域发展前景十分广阔。
目前技术已非常成熟的丰田“普锐斯”混合动力汽车的混联式混合动力系统“ToyotaHybridSystem”正是采用IPMSM作为驱动电机。
二、PMSM的数学模型及FOC控制方式正弦波PMSM按照永磁体在子上的安装方式可分转为(a)表式贴PMSM:
式子隐极转结构Ld=Lq,但隙大致磁阻小,感小气较导较电较(b)嵌入式PMSM:
凸式极LdLq,功率密度大,出矩能力强,适用于高速,但漏磁系大输转较转数(c)埋式内PMSM:
凸式,高隙磁通密度,适用于超高速,出矩能力最大,但,价格极气输转结构复杂昂贵PMSM的在d-q上的模型轴数学二、PMSM的数学模型及FOC控制方式坐标变换Clark变换Park变换iclark变换iPark变换二、PMSM的数学模型及FOC控制方式PMSM矢量控制方法(FOC)原理借助于坐标变换,将各变量从三相静止坐标系变换到跟随转子同步旋转的两相旋转坐标系上,定子电流矢量按d-q轴被分解id和iq(其中id为励磁电流分量,iq为转矩电流分量),转矩方程
(2)中,通过对id和iq的控制可以达到控制转矩的目的。
(1)
(2)二、PMSM的数学模型及FOC控制方式MTPA控制方式即最大转矩电流比控制方式,在该控制方式下,幅值一定的电子电流产生的转矩最大,等价于对应相同的电磁转矩,在该控制下所需的定子电流最小,进而对应的电动机铜损也最小。
最大转矩电流比控制(maximumtorqueperampere,MTPA)的优点:
(1)在定子电流给定的情况下,获得最佳的d、q轴电流分量,使得电机输出电磁转矩最大。
(2)在输出电磁转矩给定的情况下,使电机输入电流最小。
MTPA控制在不影响输出转矩的前提下可以降低电机的铜耗,提高运行效率,尤其是在汽车启动、加速以及爬坡时降低电驱动系统的实际容量。
三、最大转矩电流比MTPA控制Id、Iq、Ia的关系为:
将式
(1)带入扭矩公式,再将Te对iq求导,令导数等于零,可以得到:
(1)
(2)式
(2)能简化为:
(3)解得id:
(4)三、最大转矩电流比MTPA控制22231()()02efdqddqqqaqdTPLLiLLidiIiy=+-=-22daqiIi=-2()()0qfdqddqdiLLiLLiy+-=2222()4()ffdqqdqdiiLLLLyy=-+-在实际控制中,一般将各矢量标幺化,所以将上式进行标幺化,并代入恒转矩公式表达式的标幺化结果Te*=iq*(1-id*)可以得到电磁转矩用dq轴电流分量的标幺值表示为(6)(5)三、最大转矩电流比MTPA控制2222()4()ffdqqdqdiiLLLLyy=-+-三、最大转矩电流比MTPA控制反过来,此时用电磁转矩的函数式f1(Te*)和f2(Te*)可以表示出定子电流分量id*和iq*。
根据函数式f1(Te*)和f2(Te*),在转矩给定已知的情况下,可以求出最小的交直轴电流,以此结果作为电流给定,即可实现电动机的MTPA控制,其框图如图所示。
这种控制方式具有减小电机损耗,提高系统工作效率等优点,但由于计算公式复杂而不便于工程应用。
所以,如何实现有效可行且各项性能较好的最大转矩电流比控制方式,是国内外学者研究的热点。
永磁同步电机最大转矩电流比控制系统框图四、弱磁控制PMSM转速要上升到基速之上,就必须通过弱磁控制来调节定子电流。
假如电机的控制系统中没有采用弱磁控制,那么电机的转矩将快速下降使电机很快丧失负载能力。
如果仅依靠优化电机设计本身来提高速情况下的负载能力,那样设计出的PMSM定子电感偏小,低转速状态下定子电流很大,加重了变频器容量负担,必须采用额定参数较大的电力电子器件,提高了系统成本四、弱磁控制永磁同步电机不存在转子励磁绕组,也没有励磁电流,所以无法通过降低励磁电流来降低反电动势。
在PMSM中永磁体的励磁磁场是恒定不变的,只有想办法调节定子电流矢量,使之去磁分量增加来“抵消”一部分永磁磁通,进而使电机转速继续上升。
对于PMSM的定子电压有:
从式可以知道要通过控制定子电流矢量来减小定子电压只有2个方法:
减小Iq或者是给定一个负的Id。
方程式中其他参数基本都是随着电机运行状态的改变而基本维持不变的。
四、弱磁控制方法1:
在电流环的控制过程中人为的加入一个负id,并且是它的幅值随着同步转速的上升而增加,使去磁作用不断增加以维持定子上的电压平衡。
方法2:
在电流环的控制过程中人为的减小iq,其实质上就是减小定子电流矢量的助磁作用及气隙合成磁场。
提高定子的交轴电感Lq可以放大这种等效弱磁作用。
但是减小iq对于PMSM的转矩有很大的影响,从上式可知道PMSM的电磁转矩主要由iq贡献,减小iq实质上是以降低电机的性能来换取调速范围。
因此,一般是通过增加负id的方式来扩大电机的调速范围,即采用方法一来对永磁同步电机进行弱磁。
四、弱磁控制系统运行在弱磁控制模式时,随着转速升高,电机输出功率恒定不变。
只要电流分控制在电压极限圆和电流极限圆的交集中,就可以形成一个恒定功率的调速区域。
这时PMSM的定子电流矢量将沿着电流极限圆向着d轴的负方向旋转。
运用不等式来表述恒功率弱磁的前提条件为:
E0、Xd分别是永磁同步电机的反电动势和直轴电抗。
电机能够运行在极限大的转速的条件是Id=Ilim,也就是说最大去磁电流能够产生的去磁磁通在数值上等于永磁磁通,可以表达为:
当PMSM的转速确定时,d轴电流可以由下式计算,为四、弱磁控制联合下式到转速为用逆变器输出的极限值来代替上式中的电流和电压量就可以的到理想状态下的最高转速谢谢!
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