1主要內容一、幾個術語解釋（極對數、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數學模型、控制方法、旋轉變壓器）四、兩種電機及其控制系統的對比（轉子位置、三相電流、轉矩脈動、調速范圍）1主要內容一、幾個術語解釋12幾個術語解釋極對數（）：電機轉子中N-S極的對數，2，3，4，……相數（）：電機繞組個數，3，6，12，……電角度（）/機械角度（）：電角頻率（）/機械角頻率（）：電角頻率與電機轉速（）：極（2p）槽（Z）配合：Z/2p相電壓：電機相繞組對電機中性點電壓線電壓：電機兩相繞組之間電壓反電動勢：電機到拖時某一轉速下對應電機線電壓峰值2幾個術語解釋極對數（）：電機轉子中N-S極的對23主要內容一、幾個術語解釋（極對數、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數學模型、控制方法、旋轉變壓器）四、兩種電機及其控制系統的對比（轉子位置、三相電流、轉矩脈動、調速范圍）3主要內容一、幾個術語解釋34無刷直流電機的組成無刷直流電機組成部分：電機本體、位置傳感器、電子開關線路；電機本體在結構上與交流永磁電機相似；電子開關線路由功率邏輯開關單元和位置傳感器信號處理單元兩部分組成；電子開關線路導通次序是與轉子轉角同步的，起機械換向器的換向作用。4無刷直流電機的組成無刷直流電機組成部分：電機本體、位置傳感45120度導通時轉子位置與電流換相關系a)0度（換相前） b)0度（換相后）c)60度（換相前） d)60度（換相后）e)120度（換相前）f)120度（換相后）5120度導通時轉子位置與電流換相關系a)0度（換相前） 56無刷直流電機的數學模型采用理想化的直流無刷電機用狀態方程表示的數學模型，電流為理想的方波，反電勢為理想的梯形波，并作如下假設：（1）不計磁路飽和；（2）電機渦流損耗和磁滯損耗；（3）忽略定子電流的電樞反應；（4）定子繞組采用Y形接法。無刷直流電機的等效電路6無刷直流電機的數學模型采用理想化的直流無刷67無刷直流電機的電路模型逆變器—永磁無刷電機系統示意圖為直流電源（V）；為中間直流回路支撐（濾波）電容（F）；為6個功率開關管；為6個續流二極管；采用120o的兩兩導通方式，對分別在各自120o導通時間內根據不同的調制方式進行PWM調制。7無刷直流電機的電路模型逆變器—永磁無刷電機系統示意圖為直78無刷直流電機的數學模型電壓方程：轉矩方程：運動方程：8無刷直流電機的數學模型電壓方程：轉矩方程：運動方程：89無刷直流電機的電流和感應電動勢具有以下特點：（1）感應電動勢為三相對稱的梯形波，其波頂寬為（2）電流為三相對稱的方波；（3）梯形波反電勢與方波電流在相位上嚴格同步。HALL狀態與PWM、三相反電勢和三相電流的對應關系無刷直流電機換流關系9無刷直流電機的電流和感應電動勢具有以下特點：HALL狀態910無刷直流電機的相電流分析10無刷直流電機的相電流分析1011無刷直流電機的換流模式（1）pwm-on型調制方式（2）on-pwm型調制方式（3）H_on-L_pwm型調制方式（4）H_pwm-L_on型調制方式（5）L_pwm-H_pwm型調制方式（6）on-on型調制方式11無刷直流電機的換流模式（1）pwm-on型調制方式（21112無刷直流電機的換流模式對比（1）pwm-on換相轉矩脈動最小，非換向相電流脈動最小；（2）on-pwm換相轉矩脈動和非換相相電流均比pwm-on大；（3）H_pwm-L_on下橋換相轉矩脈動和電流脈動與on-pwm相等，上橋換相轉矩脈動和電流脈動與pwm-on相等，且均較小；H_on-L_pwm與H_pwm-L_on正好相反；（4）H_pwm-L_pwm換相轉矩脈動最大，非換向相電流脈動也最大。（5）功率管開通，轉矩脈動相同；功率管關斷，單側調制轉矩脈動大于雙側調制轉矩脈動；（6）單側調制存在相見續流現象，換相時間長；雙側調制引入直流母線電壓到續流回路，產生反電壓，換相時間短；（7）單側調制較雙側調制損耗小。12無刷直流電機的換流模式對比（1）pwm-on換相轉矩脈動1213無刷直流電機的基本控制系統電流閉環控制結構轉矩閉環控制結構13無刷直流電機的基本控制系統電流閉環控制結構轉矩閉環控制結1314無刷直流電機的基本控制系統轉矩閉環控制結構依據轉速控制弱磁角度轉矩閉環控制結構依據轉速和轉矩控制弱磁角度14無刷直流電機的基本控制系統轉矩閉環控制結構轉矩閉環控制結1415主要內容一、幾個術語解釋（極對數、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數學模型、控制方法、旋轉變壓器）四、兩種電機及其控制系統的對比（轉子位置、三相電流、轉矩脈動、調速范圍）15主要內容一、幾個術語解釋1516永磁電機定子繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示空間向量表示。矢量指得是定子電壓、電流、磁鏈等空間矢量，該類矢量通過三相定子變量合成得到。矢量控制基礎——矢量的基本含義為旋轉因子，16永磁電機定子繞組的電壓、電流、磁鏈等物理1617三相/2相變換：根據變換前后功率不變的約束條件，以定子電流為例：矢量控制基礎——坐標變換17三相/2相變換：根據變換前后功率不變的約束條件，以定子電1718旋轉變換：根據變換前后功率不變的約束條件，以定子電流為例：矢量控制基礎——坐標變換18旋轉變換：根據變換前后功率不變的約束條件，以定子電流為例1819矢量控制基礎——圖解各變量之間關系19矢量控制基礎——圖解各變量之間關系1920矢量控制是一種高性能交流電機控制方式，它基于交流電機的動態數學模型，通過對電機定子變量（電壓、電流、磁鏈）進行三相/2相坐標變換，將三相正交的交流量變換為兩相正交的交流量，再通過旋轉變換，將兩相正交的交流量變換為兩相正交的直流量，采用類似于他激直流電機的控制方法，分別控制電機的轉矩電流和勵磁電流來控制電機轉矩和磁鏈，具有直流電動機類似的控制性能。矢量控制基礎——矢量控制的基本思想20矢量控制是一種高性能交流電機控制方式，它2021永磁電機數學模型與基本控制方法以三相兩極永磁無刷電機為例，分析永磁無刷電機的一般化數學模型，并作如下假設：（1）定子繞組Y形接法，三相繞組對稱分布，各繞組軸線在空間互差120o；（2）忽略定子鐵心和轉子鐵心的渦流損耗和磁滯損耗；（3）采用飽和參數近似計算磁路飽和效應的影響；（4）定子繞組參數不隨溫度和頻率變化。21永磁電機數學模型與基本控制方法以三相兩極永2122電壓方程：轉矩方程：永磁電機數學模型與基本控制方法直軸電感：交軸電感：22電壓方程：轉矩方程：永磁電機數學模型與基本控制方法直軸電2223Ld=Lq：Ld<Lq：電流極限圓電壓極限橢圓恒轉矩曲線永磁同步電機的基本特性23Ld=Lq：Ld<Lq：電流極限圓電壓極限橢圓恒轉矩曲線2324

Id=0控制最大轉矩/電流比控制恒功率弱磁控制最大功率控制永磁同步電機的基本控制方法24Id=0控制永磁同步電機的基本控制方法2425

1、Id=0控制：永磁同步電機的基本控制方法251、Id=0控制：永磁同步電機的基本控制方法25262、最大轉矩/電流比控制：永磁同步電機的基本控制方法262、最大轉矩/電流比控制：永磁同步電機的基本控制方法26273、恒功率弱磁控制：永磁同步電機的基本控制方法273、恒功率弱磁控制：永磁同步電機的基本控制方法27284、最大功率控制：永磁同步電機的基本控制方法284、最大功率控制：永磁同步電機的基本控制方法2829經典永磁電機矢量控制系統（SPM電機）永磁同步電機矢量控制系統29經典永磁電機矢量控制系統（SPM電機）永磁同步電機矢量控2930經典永磁電機矢量控制系統（IPM電機）永磁同步電機矢量控制系統30經典永磁電機矢量控制系統（IPM電機）永磁同步電機矢量控3031電壓補償式永磁電機矢量控制系統（IPM電機）永磁同步電機矢量控制系統31電壓補償式永磁電機矢量控制系統（IPM電機）永磁同步電機3132旋轉變壓器32旋轉變壓器3233主要內容一、幾個術語解釋（極對數、電角度、電角頻率、相電壓、線電壓、反電動勢）二、無刷直流電機的運行原理和基本控制方法（運行原理、數學模型、換流模式、控制方法）三、永磁同步電機的運行原理和基本控制方法（矢量控制基礎、數學模型、控制方法、旋轉變壓器）四、兩種電機及其控制系統的對比（轉子位置、三相電流、轉矩脈動、調速范圍）33主要內容一、幾個術語解釋3334兩種電機及其控制系統的對比永磁無刷電機位置信號永磁同步電機位置信號34兩種電機及其控制系統的對比永磁無刷電機位置信號永磁同步電3435永磁無刷電機三相反電動勢與三相電流永磁同步電機三相反電動勢與三相電流兩種電機及其控制系統的對比35永磁無刷電機永磁同步電機兩種電機及其控制系統的對比3536兩種電機及其控制系統的對比永磁無刷電機三相電流永磁同步電機三相電流Id=0控制最大轉矩電流比控制36兩種電機及其控制系統的對比永磁無刷電機三相電流永磁同步電3637兩種電機及其控制系統的對比(a)定子電流相平面圖(b)三相定子電流(c)直軸電流分量

(d)交軸電流分量

(e)磁阻轉矩分量

(f)永磁轉矩分量(g)電機輸出轉矩(h)實際轉速與計算轉速37兩種電機及其控制系統的對比(a)定子電流相平面圖(b)3738兩種電機及其控制系統的對比(a)轉矩—轉速特性曲線

(b)功率—轉速特性曲線(c)電機效率—轉速特性曲線電機輸出特性需求38兩種電機及其控制系統的對比(a)轉矩—轉速特性曲線(3839兩種電機及其控制系統的對比1、低速出力（轉矩/電流比，功率模塊利用率）以車用驅動電機為例：無刷直流電機轉矩/電流有效值比為0.456，轉矩/電流峰值比為0.297；永磁同步電機相對應的分別為0.563和0.375，同比增加20%以上；無刷直流電機低速電流/轉矩脈動大，換相噪聲大，低速電機抖動明顯；永磁同步電機可實現零轉速控制，轉矩可達到最大轉矩值；驅動電機采用矢量控制技術，功率模塊電流裕量提高。2、高速恒功率（恒功率調速范圍，弱磁率）以某額定轉速6000rpm的車用驅動電機為例，無刷直流電機采用提前換相控制的最高轉速為8000rpm，弱磁率為1:1.3；永磁同步電機可控制的恒功率最高轉速為12000rpm，弱磁率為1:2；以混合動力客車ISG電機為例，無刷直流電機的弱磁率為1:1.2，永磁同步電機的弱磁控制率為1:1.5；無刷直流電機恒功率運行時，電流脈動和轉矩脈動大，電機運行噪聲大；而永磁同步電機可實現電流和轉矩平穩，噪聲較小。39兩種電機及其控