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

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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2/138

3.1基于转子磁场定向的矢量方程

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)。3/138

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)。永磁材料一般 是钕铁硼，也有用稀土钴的。

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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。

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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。7/138

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。8/138

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。9/138

两极面装式PMSM的物理模型如图3-6a(p105)

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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 3 2 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。

f Lmf i f

Lmf为等效励磁电感，如图3-6b。11/138

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°。 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 3 2 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。 Lmd Lmq 这与电励磁的情况相反。12/138

对于面装式的有Lmd Lmq Lm

Lm L f

Lm称为等效励磁电感 对于内装式的有

Lmd Lmq

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2 面装式三相永磁同步电动机的矢量 方程

定子磁链和电压矢量方程三相绕组的电压方程d A u A RsiA dt d B uB RsiB dtd C uC RsiC dt

式中，ψA、ψB、ψC分别为A、B、C相绕 组的全磁链。15/138

A LA B LBA L C CA

LAB LB LCB

式中，ψfA、ψfB、ψfC分别为永磁励磁磁场 链过A、B、C绕组产生的磁链。 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 LA LB LC Ls Lm1式中，Lsσ、Lm1分别为相绕组的漏电感和励 磁电感。16/138

LAC i A fA LBC i B fB LC iC fC