1、關于永磁同步電機工作原理第一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 PMSM和BLDC電機的特點優點 （1）功率密度大； （2）功率因數高（氣隙磁場主要或全部由轉 子磁場提供）； （3）效率高（不需要勵磁，繞組損耗小）； （4）結構緊湊、體積小、重量輕，維護簡 單； （5）內埋式交直軸電抗不同，產生結構轉 矩，弱磁性能好，表面貼裝式弱磁性 能較差。第二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月缺點 （1）價格較高； （2）弱磁能力低； （3）起動困難，高速制動時電勢高，給 逆變器帶來一定的風險； （4）他控式同步電機有失步和震蕩的可 能性。 PMSM和BLDC電機的特點第三張，PPT共五十

2、一頁，創作于2022年6月PMSM和BLDC電機的應用范圍軟、硬磁盤驅動器、錄像機磁鼓（視頻磁頭）和磁帶伺服系統 體積小、容量小、控制精度高機床、機器人等數控系統 快速性好、定位（速度和位置）精度高、起動轉矩大、過載能力強第四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月交通運輸 電動自行車、電動汽車、混合動力車、 城軌車輛、機車牽引家用電器 冰箱、空調等（單位體積功率密度高、 體積小）PMSM和BLDC電機的應用范圍第五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月rrggbbNSACBZYX模擬結構圖PMSM和BLDC電機的結構第六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 霍爾傳感器 定子繞組轉

3、子磁鐵實物結構圖PMSM和BLDC電機的結構第七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月定子 定子繞組一般制成多相（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，產生旋轉磁場。PMSM和BLDC電機的結構第八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月轉子 轉子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作 為永磁材料。 采用永磁體簡化了電機的 結構，提高了可靠性，又沒有轉子銅耗， 提高電機的效率。 PMSM和BLDC電機的結構第九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月PMSM按轉子永磁體的結構可分為兩種（1）表面貼裝式（SM-PMSM）直交軸

4、電感Ld和Lq相同氣隙較大，弱磁能力小，擴速能力受到限制PMSM和BLDC電機的結構第十張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月（2）內埋式（IPMSM）交直軸電感:LqLd氣隙較小，有較好的弱磁能力PMSM和BLDC電機的結構第十一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月無刷直流電機永磁體的弧極為180度，永磁體產生的氣 隙磁場呈梯形波分布，線圈內感應電動 勢亦是交流梯形波定子繞組為Y或 聯結三相整距繞組由于氣隙較大，故電樞反應很小 PMSM和BLDC電機的結構第十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月正弦波永磁同步電機永磁體表面設計成拋物線，極弧大體為 120度定子繞組為短距、分

5、布繞組定子由正弦波脈寬調制（SVPWM）的電壓型逆變其供電，三相電流為正弦或準正弦波 PMSM和BLDC電機的結構第十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月PMSM的數學模型：定子三相靜止坐標系：定子兩相靜止坐標系：轉子兩相坐標系 為了簡化和求解數學模型方程，運用坐標變換理論,通過對同步電動機定子三相靜止坐標軸系的基本方程進 行線性變換，實現電機數學模型的解耦 。PMSM和BLDC電機的工作原理：定子電壓：定子電流：定子磁鏈矢量：轉子磁鏈矢量：轉子角位置：電機轉矩角第十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月假設： 1)忽略電動機鐵心的飽和； 2)不計電動機中的渦流和磁滯損耗； 3)

6、轉子無阻尼繞組。 永磁同步電動機在三相定子參考坐標系中的數學模型可以表達如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉矩：PMSM和BLDC電機的工作原理第十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月永磁同步電動機在 標系中的數學模型可以表達如下：定子電流：定子磁鏈：電磁轉矩：PMSM和BLDC電機的工作原理第十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月永磁同步電動機在轉子旋轉坐標系d-q中的數學模型可以表達如下：定子電壓：定子磁鏈：電磁轉矩：PMSM和BLDC電機的工作原理第十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月每一瞬間有兩個功率開關導通，每隔60度換相一次，每次換相一個功率開關，每個功率開關

7、導通120度電角度。導通順序為（1）兩兩通電方式PMSM和BLDC電機的工作原理BLDC電機控制方式全控橋兩兩通電電路原理圖第十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月將三只霍爾集成電路按相位差120度安裝，產生波形如圖所示。PMSM和BLDC電機的工作原理 導通時合成轉矩 導通是合成轉矩c)兩兩通電時合成轉矩Y聯結繞組兩兩通電時的合成轉矩矢量圖第十九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月每一瞬間有三個功率開關導通，每隔60度換相一次，每個功率開關導通180度電角度。導通順序為（2）三三通電方式PMSM和BLDC電機的工作原理Y聯結三三通電方式的控制原理圖第二十張，PPT共五十一頁，創

8、作于2022年6月Y聯結三三通電方式相電壓和線電壓波形PMSM和BLDC電機的工作原理三三通電時的合成轉矩矢量圖 導通時合成轉矩 導通是合成轉矩c)三三通電時合成轉矩 第二十一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月BLDC電機穩定運行機械特性方程（3）BLDC電機運行性能和傳遞函數：電機轉速（r/min）；：電源電壓（V）；：功率開關壓降（V）；：電動勢系數；：電動機產生的電動轉矩平均（N.m）;：轉矩系數；：電動機的內阻（ ）。PMSM和BLDC電機的工作原理第二十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月BLDC電機的動態特性方程：電動機負載阻轉矩；：電動機轉子飛輪力矩 （ ）， （

9、 為轉動慣量）PMSM和BLDC電機的工作原理第二十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月BLDC電機傳遞函數：電動勢傳遞系數，：轉矩傳遞系數，：電磁時間常數，BLDC電動機動態結構圖PMSM和BLDC電機的工作原理第二十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 （1）開環控制：u/f恒定 （2）閉環控制：矢量控制 （70年代）直接轉矩控制（80年代）永磁同步電機控制方式PMSM和BLDC電機的工作原理第二十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月定子電流經過坐標變換后轉化為兩相旋轉坐標系上的電流 和 ，從而調節轉矩 和實現弱磁控制。FOC中需要測量的量為：定子電流、轉子位置角

10、PMSM電機的FOC控制策略1、工作原理第二十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月以轉子磁場定向系統動態性能好，控制精度高控制簡單、具有直流電機的調速性能運行平穩、轉矩脈動很小2、FOC特點 PMSM電機的FOC控制策略第二十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉矩與定子電流成正比。 其性能類似于直流電機，控制系統簡單，轉矩性能好，可以獲得很寬的調速范圍，適用于高性能的數控機床、機器人等場合。電機運行功率因數低，電機和逆變器容量不能充分利用。3、FOC控制方式 PMSM電機的FOC控制策略第

11、二十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月 控制 控制交、直軸電流分量，保持PMSM的功率因數為1，在 條件下，電機的電磁轉矩隨電流的增加呈現先增加后減小的趨勢。 可以充分利用逆變器的容量。不足之處在于能夠輸出的最大轉矩較小。最大轉矩/電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉矩的控制（最優轉矩控制）。 它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制策略。當輸出轉矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。 PMSM電機的FOC控制策略第二十九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月4、坐標變換（1）Clarke（3s/2s）變換：三相繞組每相繞組匝數：兩相繞組每相繞組匝數各相磁動勢為有效匝數

12、與電流的乘積，其相關空間矢量均位于有關相的坐標軸上。 PMSM電機的FOC控制策略第三十張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在 軸上的投影都應相等，因此 PMSM電機的FOC控制策略第三十一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月考慮變換前后總功率不變，可得匝數比應為坐標系變換矩陣：可得 PMSM電機的FOC控制策略第三十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月如果三相繞組是Y形聯結不帶零線，則有于是 PMSM電機的FOC控制策略第三十三張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月兩個交流電流

13、 和兩個直流電流 ，產生同樣的以同步轉速 旋轉的合成磁動勢 軸和矢量 都以轉速 旋轉，分量 的長短不變。 軸與 軸的夾角 隨時間變化（2）Park（2s/2r）變換 PMSM電機的FOC控制策略第三十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月由圖可見， 和 之間存在下列關系坐標系變換矩陣：寫成矩陣的形式，得 PMSM電機的FOC控制策略第三十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月由三組六個開關（ ）組成。由于 與 、 與 、 與 之間互為反向，即一個接通，另一個斷開，所以三組開關有 種可能的開關組合 PWM逆變器模型（3）電壓空間矢量 PMSM電機的FOC控制策略第三十六張，PPT共五

14、十一頁，創作于2022年6月若規定三相負載的某一相與“+”極接通時，該相的開關狀態為“1”態；反之，與“-”極接通時，為“0”態。則8種可能的開關組合 逆變器7種不同的電壓狀態：電壓狀態“1”至“6”零電壓關狀態“0”和“7” PMSM電機的FOC控制策略第三十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月逆變器的輸出電壓 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的相電壓波形、幅值和電壓狀態的對應關系圖 電壓狀態和開關狀態均以6個狀態為一個周期，相電壓幅值為兩種： 和 PMSM電機的FOC控制策略第三十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月把逆變器的7個輸出電壓狀態放入空

15、間平面內，形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構成正六邊形 PMSM電機的FOC控制策略第三十九張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月選定定子坐標系中的 軸與 矢量復平面的實軸 重合，則其三相物理量 的 矢量 為： 式中 復系數，旋轉因子，旋轉空間矢量 的某個時刻在某軸線 軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。 PMSM電機的FOC控制策略第四十張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月若 三相負載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量 的 矢量變換表達式為 對于狀態“1” 時；可知則 PMSM電機的FOC控制策略第四十

16、一張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月電壓空間矢量的結論： 逆變器六個工作電壓狀態給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現，相鄰兩個矢量之間相差60度；電壓空間矢量的幅值不變，都等于 ，因此六個電壓空間矢量的頂點構成了正六邊形的六個頂點；六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉；零電壓狀態7位于六邊形中心。 PMSM電機的FOC控制策略第四十二張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月5、FOC基本方程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：轉子電角度：轉子永磁磁鏈其中 PMSM電機的FOC控制策略第四十三張，PPT共五十一頁

17、，創作于2022年6月說明：交軸電流 和轉矩是線性關系，而直軸電流 對轉矩沒有影響。 如果 為電機額定電流，當 時產 生最大轉矩（ ）。磁鏈轉矩方程 PMSM電機的FOC控制策略第四十四張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月6、FOC的組成（1）SVPWM模塊。采用先進的調制算法以 減少電流諧波、提高直流母線電壓 利用率；（2）電流讀取模塊。通過精密電阻或電 流傳感器測量定子電流； PMSM電機的FOC控制策略第四十五張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月（3）轉子速度/位置反饋模塊。采用霍爾 傳感器或增量式光電編碼器來準確 獲取轉子位置和角速度信息，也可 采用無傳感器檢測算法進行測量

18、；（4）PID控制模塊；（5）Clark、Park及Reverse Park變換模 塊。 PMSM電機的FOC控制策略第四十六張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月7、FOC原理圖 PMSM電機的FOC控制策略第四十七張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月（1）將電流讀取模塊測量的相電流 和 ， 經過Clark變換將其從三相靜止坐標系變 換到兩相靜止坐標系 和 ；（2） 和 與轉子位置 結合，經過Park變換 從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系 和 ；（3）轉子速度/位置反饋模塊將測量的轉子角 速度 與參考轉速 進行比較，并通過PI 調節器產生交軸參考電流 ； PMSM電機的FOC控制策略第四十八張，PPT共五十一頁，創作于2022年6月（4）交、直軸參考電流 與實際反饋的交、 直軸電流 進行比較，取直軸參考電流 為0。再經過PI調節器，轉化為電壓 和 ；（5）電壓 和 與檢測到的轉子角位置 相結 合進行反Park變換，變換為兩相靜止坐標 系的電壓 和 ；（6）電壓 和 經過SVPWM模塊調制為六路開 關信號從而控制三相逆變器的開通與關 斷。 PMS