內(nèi)容提要PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn)PMSM和BLDC電機(jī)的運(yùn)用范圍PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理PMSM和BLDC電機(jī)的控制戰(zhàn)略PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

〔1〕功率密度大；〔2〕功率因數(shù)高〔氣隙磁場主要或全部由轉(zhuǎn)子磁場提供〕；〔3〕效率高〔不需求勵(lì)磁，繞組損耗小〕；〔4〕構(gòu)造緊湊、體積小、分量輕，維護(hù)簡單；〔5〕內(nèi)埋式交直軸電抗不同，產(chǎn)生構(gòu)造轉(zhuǎn)矩，弱磁性能好，外表貼裝式弱磁性能較差。缺陷

〔1〕價(jià)錢較高；〔2〕弱磁才干低；〔3〕起動(dòng)困難，高速制動(dòng)時(shí)電勢高，給逆變器帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)；〔4〕他控式同步電機(jī)有失步和震蕩的可能性。PMSM和BLDC電機(jī)的特點(diǎn)PMSM和BLDC電機(jī)的運(yùn)用范圍軟、硬磁盤驅(qū)動(dòng)器、錄像機(jī)磁鼓〔視頻磁頭〕和磁帶伺服系統(tǒng)體積小、容量小、控制精度高機(jī)床、機(jī)器人等數(shù)控系統(tǒng)快速性好、定位〔速度和位置〕精度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載才干強(qiáng)交通運(yùn)輸電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車、城軌車輛、機(jī)車牽引家用電器冰箱、空調(diào)等〔單位體積功率密度高、體積小〕PMSM和BLDC電機(jī)的運(yùn)用范圍rrggbbNS⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕模擬構(gòu)造圖PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造霍爾傳感器定子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵實(shí)物構(gòu)造圖PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造定子

定子繞組普通制成多相〔三、四、五相不等〕，通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁資料。采用永磁體簡化了電機(jī)的構(gòu)造，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機(jī)的效率。

PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造PMSM按轉(zhuǎn)子永磁體的構(gòu)造可分為兩種〔1〕外表貼裝式〔SM-PMSM〕直交軸電感Ld和Lq一樣氣隙較大，弱磁才干小，擴(kuò)速才干遭到限制PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造〔2〕內(nèi)埋式〔IPMSM〕交直軸電感:Lq>Ld氣隙較小，有較好的弱磁才干PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造無刷直流電機(jī)永磁體的弧極為180度，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場呈梯形波分布，線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢亦是交流梯形波定子繞組為Y或結(jié)合三相整距繞組由于氣隙較大，故電樞反響很小

PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造正弦波永磁同步電機(jī)永磁體外表設(shè)計(jì)成拋物線，極弧大體為120度定子繞組為短距、分布繞組定子由正弦波脈寬調(diào)制〔SVPWM〕的電壓型逆變其供電，三相電流為正弦或準(zhǔn)正弦波PMSM和BLDC電機(jī)的構(gòu)造PMSM的數(shù)學(xué)模型：定子三相靜止坐標(biāo)系：定子兩相靜止坐標(biāo)系：轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系為了簡化和求解數(shù)學(xué)模型方程，運(yùn)用坐標(biāo)變換實(shí)際,經(jīng)過對同步電動(dòng)機(jī)定子三相靜止坐標(biāo)軸系的根本方程進(jìn)行線性變換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦。PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理：定子電壓：定子電流：定子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚恨D(zhuǎn)子角位置：電機(jī)轉(zhuǎn)矩角假設(shè)：1)忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和；2)不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗；3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。永磁同步電動(dòng)機(jī)在三相定子參考坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理永磁同步電動(dòng)機(jī)在坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電流：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中的數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉(zhuǎn)矩：PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理每一瞬間有兩個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次，每次換相一個(gè)功率開關(guān)，每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通120度電角度。導(dǎo)照射序?yàn)椤?〕兩兩通電方式PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理BLDC電機(jī)控制方式全控橋兩兩通電電路原理圖將三只霍爾集成電路按相位差120度安裝，產(chǎn)生波形如下圖。PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩c)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩Y結(jié)合繞組兩兩通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖每一瞬間有三個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60度換相一次，每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通180度電角度。導(dǎo)照射序?yàn)椤?〕三三通電方式PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理Y結(jié)合三三通電方式的控制原理圖Y結(jié)合三三通電方式相電壓和線電壓波形PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理三三通電時(shí)的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通是合成轉(zhuǎn)矩c)三三通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩

BLDC電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械特性方程〔3〕BLDC電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能和傳送函數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速〔r/min〕；：電源電壓〔V〕；：功率開關(guān)壓降〔V〕；：電動(dòng)勢系數(shù)；：電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均〔N.m〕;：轉(zhuǎn)矩系數(shù)；：電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻〔〕。PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理BLDC電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性方程：電動(dòng)機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪力矩〔〕，〔為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〕PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理BLDC電機(jī)傳送函數(shù)：電動(dòng)勢傳送系數(shù)，：轉(zhuǎn)矩傳送系數(shù)，：電磁時(shí)間常數(shù)，BLDC電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)構(gòu)造圖PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理

〔1〕開環(huán)控制：u/f恒定〔2〕閉環(huán)控制：矢量控制〔70年代〕直接轉(zhuǎn)矩控制〔80年代〕永磁同步電機(jī)控制方式PMSM和BLDC電機(jī)的任務(wù)原理定子電流經(jīng)過坐標(biāo)變換后轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流和，從而調(diào)理轉(zhuǎn)矩和實(shí)現(xiàn)弱磁控制。FOC中需求丈量的量為：定子電流、轉(zhuǎn)子位置角PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略1、任務(wù)原理以轉(zhuǎn)子磁場定向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，控制精度高控制簡單、具有直流電機(jī)的調(diào)速性能運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很小2、FOC特點(diǎn)PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略控制定子電流中只需交軸分量，且定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場所。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器容量不能充分利用。3、FOC控制方式PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略控制控制交、直軸電流分量，堅(jiān)持PMSM的功率因數(shù)為1，在條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的添加呈現(xiàn)先添加后減小的趨勢?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。缺乏之處在于可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制〔最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制〕。它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制戰(zhàn)略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)的銅耗。PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略4、坐標(biāo)變換〔1〕Clarke〔3s/2s〕變換：三相繞組每相繞組匝數(shù)：兩相繞組每相繞組匝數(shù)各相磁動(dòng)勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略設(shè)磁動(dòng)勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢與相總磁動(dòng)勢與二相總磁動(dòng)勢相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢在軸上的投影都應(yīng)相等，因此PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略思索變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為坐標(biāo)系變換矩陣：可得PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略假設(shè)三相繞組是Y形結(jié)合不帶零線，那么有于是PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略兩個(gè)交流電流和兩個(gè)直流電流，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量的長短不變。軸與軸的夾角隨時(shí)間變化〔2〕Park〔2s/2r〕變換PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略由圖可見，和之間存在以下關(guān)系坐標(biāo)系變換矩陣：寫成矩陣的方式，得PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略由三組六個(gè)開關(guān)〔〕組成。由于與、與、與之間互為反向，即一個(gè)接通，另一個(gè)斷開，所以三組開關(guān)有種能夠的開關(guān)組合PWM逆變器模型〔3〕電壓空間矢量

PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略假設(shè)規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“+〞極接通時(shí)，該相的開關(guān)形狀為“1〞態(tài)；反之，與“-〞極接通時(shí)，為“0〞態(tài)。那么8種能夠的開關(guān)組合逆變器7種不同的電壓形狀：電壓形狀“1〞至“6〞零電壓關(guān)形狀“0〞和“7〞

PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略逆變器的輸出電壓用空間電壓矢量來表示，依次表示為

逆變器非零電壓矢量輸出時(shí)的相電壓波形、幅值和電壓形狀的對應(yīng)關(guān)系圖電壓形狀和開關(guān)形狀均以6個(gè)形狀為一個(gè)周期，相電壓幅值為兩種：和PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略把逆變器的7個(gè)輸出電壓形狀放入空間平面內(nèi)，構(gòu)成7個(gè)離散的電壓空間矢量。每兩個(gè)任務(wù)電壓空間矢量在空間的位置相隔60o角度，6個(gè)任務(wù)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形

PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略選定定子坐標(biāo)系中的軸與矢量復(fù)平面的實(shí)軸重合，那么其三相物理量的矢量為：

式中——復(fù)系數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子，旋轉(zhuǎn)空間矢量的某個(gè)時(shí)辰在某軸線軸上的投影就是該時(shí)辰該相物理量的瞬時(shí)值。PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略假設(shè)三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量的矢量變換表達(dá)式為

對于形狀“1〞時(shí)；可知那么PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略電壓空間矢量的結(jié)論：

逆變器六個(gè)任務(wù)電壓形狀給出了六個(gè)不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個(gè)矢量之間相差60度；電壓空間矢量的幅值不變，都等于，因此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)；六個(gè)電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；零電壓形狀7位于六邊形中心。PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略5、FOC根本方程SM-PMSM的電壓和磁鏈方程：定子相繞組：定子相繞組電感：定子相繞組互感：轉(zhuǎn)子電角度：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈其中PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略闡明：交軸電流和轉(zhuǎn)矩是線性關(guān)系，而直軸電流對轉(zhuǎn)矩沒有影響。假設(shè)為電機(jī)額定電流，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩〔〕。磁鏈轉(zhuǎn)矩方程PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略6、FOC的組成〔1〕SVPWM模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率；〔2〕電流讀取模塊。經(jīng)過精細(xì)電阻或電流傳感器丈量定子電流；PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略〔3〕轉(zhuǎn)子速度/位置反響模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無傳感器檢測算法進(jìn)展丈量；〔4〕PID控制模塊；〔5〕Clark、Park及ReversePark變換模塊。PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略7、FOC原理圖PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略〔1〕將電流讀取模塊丈量的相電流和，經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系和；〔2〕和與轉(zhuǎn)子位置結(jié)合，經(jīng)過Park變換從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和；〔3〕轉(zhuǎn)子速度/位置反響模塊將丈量的轉(zhuǎn)子角速度與參考轉(zhuǎn)速進(jìn)展比較，并經(jīng)過PI調(diào)理器產(chǎn)生交軸參考電流；PMSM電機(jī)的FOC控制戰(zhàn)略〔4〕交、直軸參考電流與實(shí)踐反響的交、直軸電流進(jìn)展比較，取直軸參考電流為0。再經(jīng)過PI調(diào)理器，轉(zhuǎn)化為電壓和；〔5〕電壓和與檢測到的轉(zhuǎn)子角位置相結(jié)合進(jìn)展反Park變換，變換為兩相靜止坐標(biāo)系的電壓和；〔6〕電壓和經(jīng)過SVPWM模塊調(diào)制為六路開