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  • 1.0电机的分类及永磁同步电机的控制技术介绍 基础的电磁感应产生力的作用,这类似的初中物理知识不再讨论; 与直流无刷及永磁同步电机知识太发散的就不再讨论; 本文介绍的几点内容 电机的分类及日常生活...

    1.0电机的分类及永磁同步电机的控制技术介绍

    • 基础的电磁感应产生力的作用,这类似的初中物理知识不再讨论;
    • 与直流无刷及永磁同步电机知识太发散的就不再讨论;

    本文介绍的几点内容

    1. 电机的分类及日常生活中的电机类型
    2. 无刷直流/永磁同步电机的运行原理
    3. 无刷直流与永磁同步的异同
    4. 永磁同步电机的控制技术

    1.电机的分类及日常生活中的电机类型

    电机种类
      如图中所示,电动机的种类,可以首先按照交直流类型来区别。
      直流电动机在日常生活中遇到的非常多,用电池或5V电源作为能量的几乎都是,电动玩具、剃须刀、小风扇。这类电机的分类在换向式的细分类别中。控制手段也非常简单,两极上通电就能转,电压给的越大转的越快,两根电极线对调就能反转。如果曾经拆开过玩具四驱车里面的直流有刷电机就会记得,里面有个II型的两极电刷,转子的电流换向就是靠电刷来完成。这类电机,也会发现里面有磁铁存在,磁极是固定不动的,作为定子。其他细分支的单极式电机、换向电励磁式电机,生活中不太常见,不作介绍了。
      交流电动机分为两类,同步电动机和异步电动机。
      异步电动机在普通日常生活中见的相对较少,都相对较为大型。单相的异步电动机,在农村家里的各类加工机器、普通的小型工厂里的加工机器上会见的比较多;使用的电源就是普通的市电220V就行,一零一火线就可以工作运行。单相异步电机的更细分类型,差别就不是那么大了,这类电机上常常会有两个非常大的电容:启动电容、工作电容。如果这两个电容坏了,启动或工作的时候就会异常。
      多相异步电动机,在起重机械、大型加工机械上会见的非常多;多相异步电机的体积在这所有电机分类中都相对较大,功率也都不低。使用这类电机大都配有相应的变频器。其供电时会接入三相电。三相电在工业中常用,但日常生活不常见。
      最后介绍交流电动机的同步电动机。这类电机的细分种类在日常生活中会多少有些影子。同步电动机主要分为四类,无刷直流、永磁同步、步进电机、磁滞电机、磁阻电机。无刷直流电机,一提到,都见过;日常使用的电动自行车、电摩的后轮,就是一种直流无刷同步电动机。这种电机还有一种称呼叫轮毂电机,就是指长在车轮的轮毂上的电机。步进电机的应用非常广泛,主要是因为其控制的步进精度,使得可以用在高精度的场合。激光切割,3D打印中都用的蛮多的。
      还有一种分支的电机类型,永磁同步电机。这种电机,当前,有一个非常火的应用,昂贵的那款吹风机就是永磁同步电机的。永磁同步电机结合优良的控制方法,可使得电机的转速精确可控,噪声非常低,给人静音静躁并且高效的感觉。
      同步电机大多是永磁式的。其他励磁类型的也有,但不常见了。

    2.无刷直流/永磁同步电机的运行原理

      这里一起阐述无刷直流和永磁同步运行原理的原因是因为这两类的区别着实不大,后文会详细对比异同的。
      直流有刷电机,定子是永磁体,转子是绕线线圈;磁性有两极,同斥异吸。所以,在转子线圈中通上直流电,则能让转子转动,直到与定子力矩最小的位置;这时由于电刷换向,本来力矩最小的位置又成了力矩最大;最后,周而复始,转子不断旋转。
      无刷直流,那就确实没有电刷;同时,直流有刷电机中定子为永磁体,转子为绕线的结构,在直流无刷中变成了定子为绕组,转子为永磁体。如果绕组依然在转子上面,那还得靠物理接触给绕组通电,没有解决掉电刷老化的问题。直流无刷电机中,绕组在定子中存在,有三根相线;工作的时候,相继的给三根相线输入输出电流,变达到了换向的目的。直流无刷中,转子定子由于电磁生力的作用与直流有刷是相同的。
      无刷直流电机,具体是定子在内部还是在外部,不一定。转子在外,定子在内的,一般称为外转子电机。轮毂电机就是很特殊的外转子电机。
      直流无刷电机,为什么在大分类下却又是交流电机?
      是因为,我们在给无刷直流、永磁同步电动机的控制器供电的时候,供给的是直流电源,所以称呼为了无刷直流;但是,直流电源经由电机控制器,逆变之后,在与电机相连的三根相线上,电源类型变成了交流,交流变化的相电压才能使电机三根相线上的电流不停换向,所以电机的分类是交流电动机。

    3. 无刷直流与永磁同步的异同


    • 无刷直流电机,英文BLDC,英文全称Brushless Direct Current Motor
    • 永磁同步电机,英文PMSM, 英文全称 Permanent Magnet Synchronous Motor

    这两种电机类型要作以区别,最根本的原因是因为气隙磁场的设计就不同。所以产生了以下的不同

    1. 反电势波形不同:
      BLDC :近似梯形波(理想状态);
      PMSM :正弦波(理想状态);
    2. 三相电流波形不同:
      BLDC :近似方波或梯形波(理想状态);
      PMSM :正弦波(理想状态);
    3. 控制系统的区别:
      BLDC:通常包括位置控制器、速度控制器和电流(转矩)控制器;
      PMSM:不同控制策略的会有不同的控制系统;
    4. 控制不同:
      BLDC:120度方波电流,采用PWM控制;
      PMSM:正玄波电流,采用SPWM SVPWM控制。

      但是,在实际的控制中,直流无刷也会用FOC控制,永磁同步电机也能用方波进行控制。
      就像电动车的控制器,我拆来研究过三四个,接口都是一样的,控制芯片不一样,当然控制算法也不一样。用正弦波控制的电动车,启动、运行声音都很低,运行过程中没有抖动;但是方波控制的电动车,声音会非常明显,运行时的抖动也能感知得到。抖动是因为明确的转矩脉动。
      方波控制的电机,电源使用效率较高,因为正弦波控制的电机,在有效电压上就会被打折一点。

    4. 永磁同步电机的控制技术

    永磁同步电机,直流无刷电机可以用同样的控制手段来使之运行。

    • 根据有无位置传感器来区别,首先分为有感无感。也就是有无使用霍尔等类似的位置传感器来感知定子转子的位置角度。在风泵类的应用中,很多使用无感方式控制,通孔优良的算法是电机运转起来后,检测感知相电流的变化来切换相电流。一些重载或精确控制的应用中,都会使用有感方式。
    • 根据逆变的三相电源,可以分为方波控制和正弦波控制。方波控制策略简单,控制过程直接有效,采用六步换向策略,CPU调制 出PWM来驱动功率开关管就可是生成能使电机运转的三相电源。正弦波的控制策略相对复杂得多,但是在控制效果上又优良的多。
    • 正弦波控制时,主要有两种控制策略。
      一种是,直接转矩控制DTC百度百科。其作法是依量测到的马达电压及电流,去计算马达磁通和转矩的估测值,而在控制转矩后,也可以控制马达的速度,直接转矩控制是欧洲ABB公司的专利。
      第二种是,空间矢量控制FOC百度百科。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制;通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。
    • 正弦波控制时,会有很多衍生的更精细的控制策略,比如前馈控制、最大转矩控制、弱磁控制等。
    • 在对电机的控制过程中,会有多个反馈控制环。在控制电机的出力情况时,有电流环;再此基础上,控制转速的控制环;伺服电机应用时,便有位置环的控制。

    ST的开源方案–空间矢量控制,驱动永磁同步电机的学习及分享计划CSDN链接

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  • 1 弱磁扩速理论 PMSM弱磁的思想来源于他励直流电动机的调磁... 永磁同步电机的励磁磁通是由永磁体提供的,这个磁通是恒定不变的。这个时候如果我们想降低磁通强度,就只能通过增大定子电流的去磁分量来削弱气隙...

      **注:
    1:此为永磁同步控制系列文章之一,应大家的要求,关于永磁同步矢量控制的系列文章已经在主页置顶,大家可以直接去主页里面查阅,希望能给大家带来帮助,谢谢。
    2:矢量控制的六篇文章后。弱磁、MTPA、位置控制系列讲解已经补充,也放在主页了,请大家查阅。
    3: 恰饭一下,也做了一套较为详细教程放在置顶了,请大家查看^_^**

     

    1 弱磁扩速理论

      PMSM弱磁的思想来源于他励直流电动机的调磁控制。我们熟知,当他励直流电动机的端电压达到最大值之后,无法再用调压调速来提高转速,只有通过降低电动机的励磁电流,从而降低励磁磁通,实现在保证电压平衡的条件下,电机速度提升到额定转速以上。

      永磁同步电机的励磁磁通是由永磁体提供的,这个磁通是恒定不变的。这个时候如果我们想降低磁通强度,就只能通过增大定子电流的去磁分量来削弱气隙磁通,这样才能达到跟他励直流电动机的弱磁等效。

    1.1 从公式层面来说明弱磁原理

      永磁同步电机弱磁控制的本质和规律可以电压平衡方程来说明

    由公式可以看出,在电压达到最大时,要想再升高转速,就只能靠调节 id 和 iq 来实现了,这就是电机的弱磁运行方式。同时电机的电流也是由相应的限制的,增大 iq 的同时必须要减小 id,才能保持电流矢量的大小不变。一般是通过增大 id 来实现弱磁扩速的。

    1.2 电压极限环的概念

    从公式的推导可以得出电压极限的轨迹是一个椭圆环,电机的电压方程为:

    将电压方程带入电压平衡方程,并忽略定子压降,可以得到

    从这个推导的方程可以看出电压的极限轨迹十一个椭圆,椭圆的圆心是(\frac{-\varphi _{f}}{L_{d}},0)

     

    这里面有什么物理含义呢? 其实从图中可以看出,要使电机稳定的运行,电压必须处于这个电压极限圆的曲线内,一旦超过电机将不稳定。

    1.2 电压流限环的概念

    我们再来了解电流极限环的概念,永磁同步电机的电流极限可以用方程描述:

    式中的 Ilim是电动机允许的最大相电流值。

    有了这电流极限环的概念,我们再结合电压极限环,我们可以知道,如果要使电机稳定运行,电流矢量的终点必须落在电流极限环和电压极限环的圆之内,也就是电流矢量的终点必须落在电压极限环和电流极限环的公共区域,否则电机将无法稳定运行。

     

    2 如何实现弱磁扩速

    有了以上的概念,我们该如何在仿真中实现弱磁呢?采用双电流调节器的超前角弱磁控制。

    2.1 超前角是什么?

    定义:超前角 \beta   为两相旋转坐标系dq坐标系下,定子电流矢量超前q轴的电角度。 如下图所示

    2.2 超前角弱磁的原理是什么?

    当转速达到转折速度时,电流调节器仍然处于饱和状态,定子电压已经达到极限状态。如果我们此时通过电压反馈来调节超前角\beta 在到达额定转速后增大,直轴的去磁电流反向增大,交轴电流也随之减小,随着直轴去磁电流的增大,磁通减小。以此实现在不增加逆变器容量的情况下弱磁。

     

    2.3 超前角控制框图

    具体如何是现在simulink里面判断是否达到额定转速呢?

    电流调节器的输出 ud 和 uq 作为弱磁调节器的输入量,并于逆变器所能输出的最大电压 Umax比较,二者的偏差作为弱磁环节的PI调节器的输入,PI调节器输出超前角\beta来调节 iq 和 id 的给定。

    由于采用的时SVPWM调制,U_{max}=\tfrac{U_{dc}}{\sqrt{3}} ,此时有几种情况

    1,当\sqrt{U_{d}^{2}+U_{q}^{2}}小于Umax时电压PI调节器正向饱和,此时超前角\beta为0,电机运行在恒转矩区

    2,当\sqrt{U_{d}^{2}+U_{q}^{2}}大于Umax时电压PI调节器的输入值为负数,调节器开始退出饱和,输出的超前角为负,此时电机运行在弱磁区。

     

    3,实验结果分析(明天补上)

    转速波形  电机的额定转速为2300,不加弱磁,超过2300之后电机直接跑飞了(0.5s 为1000,1s为2000,1.5s为3000以此类推)

    转矩波形(外部负载5N)

    d轴电流(外部负载5N)

    q轴电流(外部负载5N)

     

     

    小结:

    超前角弱磁方式的特点在于结构简单,易于实现,也较易于在实验中实现,但是超前角弱磁,仍然存在弱磁电流过强导致去磁的风险,图中波形虽然毛刺较小,但明显有较大的超调,导致波形不够好看,但基本实现了弱磁扩速,并且能够带载运行。模型还需要修改的地方很多。

    整理不易,希望大家帮忙点个赞呀,谢谢啦~^_^

    系列文章链接:

    永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程(PMSM)

    永磁同步电机矢量控制(一)——数学模型
    永磁同步电机矢量控制(二)——控制原理与坐标变换推导 

    永磁同步电机矢量控制(三)——电流环转速环 PI 参数整定
    永磁同步电机矢量控制(四)——simulink仿真搭建
    永磁同步电机矢量控制(五)——波形记录及其分析
    永磁同步电机矢量控制(六)——MTPA最大转矩电流比控制
    永磁同步电机矢量控制(八)——弱磁控制(超前角弱磁)
    永磁同步电机矢量控制(九)——三闭环位置控制系统
    永磁同步电机矢量控制(十)——PMSM最优效率(最小损耗)控制策略

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  • 简介 名称 特点 电机的分类 PMSM的机械组成 本书目的 三相PMSM的数学建模 三相PMSM的基本数学模型 PMSM转子结构分类 PMSM模型假设 PMSM的基本数学模型4个方程自然坐标系下 ...同步旋转坐标系dq下的P

    文章目录


    # 简介
    ## 名称

    • 中文:永磁同步电机

    • 英文:Permanent Magnetic Synchronous Machine

    • 缩写:PMSM

    • 永磁式:采用永磁材料作为转子来励磁建立主磁场

    • 同步: 转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的

    ##特点

    • PMSM 结构简单,运行可靠,体积小,质量轻,损耗小,效率高,电机形状和尺寸可以灵活多样等
    • PMSM是一个多变量,强耦合,变参数,非线性系统
    • PMSM属于交流电机,定子绕组与异步电机相同
    • 同步电动机的电流在相位上是超前于电压的,即同步电动机是一个容性负载(如何理解???)
    • 一个典型的应用:作为牵引电机被广泛用在纯电动汽车上

    ##电机的分类
    这里写图片描述

    ##

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  • 电流内环的作用是在电机启动过程中能够以最大电流启动,同时在外部扰动是能够快速恢复,加快动态跟踪响应速度,提高系统的稳定性。 上图为电流内环的流程图,电流内环的输入为电流信号的误差值,输出为参考电压,...

    注:
    1:此为永磁同步控制系列文章之一,应大家的要求,关于永磁同步矢量控制的系列文章已经在主页置顶,大家可以直接去主页里面查阅,希望能给大家带来帮助,谢谢。
    2:矢量控制的六篇文章后。弱磁、MTPA、位置控制系列讲解已经补充,也放在主页了,请大家查阅。
    3: 恰饭一下,也做了一套较为详细教程放在置顶了,内含基本双闭环、MTPA、弱磁、三闭环、模糊PI等基本控制优化策略,也将滑模,MRAS等无速度控制课题整理完成,请大家查看_
    **
    4、文章对应资料附件放在了文章末尾

    1 电流内环调节器设计

    矢量控制系统的电流环是对 iq进行控制,控制的是定子电流,进而控制电机转矩。
    电流内环的作用是在电机启动过程中能够以最大电流启动,同时在外部扰动是能够快速恢复,加快动态跟踪响应速度,提高系统的稳定性。
    这里写图片描述
    上图为电流内环的流程图,电流内环的输入为电流信号的误差值,输出为参考电压,控制电动机转矩。第一个环节是PI调节器,第二个环节是延迟环节,第三个环节是PWM环节。
    其中电机传递函数可通过近似处理为:
    这里写图片描述
    在开关频率为10KHZ时,由于开关频率较高,就可以把延迟环节和PWM环节合并处理,记 td = Ts ,并将 Kpwm看成 1 来处理,可得以下流程图:
    这里写图片描述
    对以上流程图分析,将电流环按照典型的 I 型系统来整定。
    则开环传递函数:
    在这里插入图片描述

    若使得 taoi = Lq / R 可以得到 整定后开环传函:
    在这里插入图片描述

    与典型一型环节对比,(实际典型一型环节是一个二阶系统)
    ![这里写图片描述](http://latex.codecogs.com/png.latex?%5Clarge%20G%28s%29%20=%20%5Cfrac%7BK%7D%7Bs%28Ts+1%29%7得到
    可对K和T进行求解,
    在这里插入图片描述
    一阶系统按 KT = 0.5 计算得出

    这里写图片描述

    这里写图片描述

    2 转速外环调节器的设计

    转速外环设计合理的话,可以减少扰动对系统的影响、减小转速波动,使得系统工作在稳定状态。
    这里写图片描述
    在研究转速外环的时候,将电流环视为一节环节:
    这里写图片描述
    由二阶系统自身性能,在阻尼比为0.707时性能最佳,即可推:
    这里写图片描述
    同电流环,将延时环节与简化的电流环合并处理得
    这里写图片描述
    流程图进一步简化为:
    这里写图片描述
    将转速环按二阶典型环节整定,
    设转速环 PI 调节器为:
    这里写图片描述
    可得一下开环传函:
    这里写图片描述
    整理后得:
    这里写图片描述
    按照典型的二型系统的参数关系,应有
    这里写图片描述
    这里写图片描述
    由典型二阶系统整定理论得,h = 5 时 系统性能最佳。
    经过整理得到:
    这里写图片描述
    即可得PI调节器参数为
    这里写图片描述

    这里写图片描述
    由于传函很多细节部分还有得可讲,也值得从自动控制原理的角度去探究PI参数的整定,特整理了一系列专门针对PI参数整定的文章,这一系列文章可以帮助大家从头到尾理解PI参数到底从何而来,也传函框图中每个环节的由来,应该是值得大家阅读的文章。
    需要文章资料与仿真模型的同学请博客下评论留一下邮箱,看到就会发过去。

    参数整定以及自动控制原理系列文章:

    如何用matlab画bode图——自动控制原理基础补充(一)

    一阶惯性环节的性能分析——自动控制原理基础补充(二)

    二阶系统的性能分析(开环相幅和阶跃响应)——自动控制原理基础补充(三

    转速环PI参数整定详解(一)——电机传递函数的来源

    转速环PI参数整定详解(二)——转速环各个环节传递函数的来源

    转速环PI参数整定详解(三)——转速环开环传函特性及其整定策略

    整理不易,希望大家帮忙点个赞呀,谢谢啦~_

    系列文章链接:

    永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程(PMSM)
    永磁同步电机矢量控制(一)——数学模型
    永磁同步电机矢量控制(二)——控制原理与坐标变换推导
    永磁同步电机矢量控制(四)——simulink仿真搭建
    永磁同步电机矢量控制(五)——波形记录及其分析
    永磁同步电机矢量控制(六)——MTPA最大转矩电流比控制
    永磁同步电机矢量控制(七)——基于id=0的矢量控制的动态解耦策略
    永磁同步电机矢量控制(八)——弱磁控制(超前角弱磁)
    永磁同步电机矢量控制(九)——三闭环位置控制系统
    永磁同步电机矢量控制(十)——PMSM最优效率(最小损耗)控制策略

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    对于基本概念的认识是非常重要的,比如说:码元、比特、波特、帧,以及由此产生的码元速率、比特率、波特率,还有位同步(比特同步)、帧同步等等信息。 1、码元和码元速率 一个数字脉冲称为一个码元。如字母A的...
  • 同步 实现同步的三种方式

    千次阅读 2019-08-11 15:04:26
    * 多线程共享数据:多个线程有可能同时处理同一个资源 * 同步:多个线程在同一时间段内只能有一个线程执行指定代码,其它线程要等此线程执行完成之后才可以继续执行 */ /** * 1.多线程共享数据时会发生线程不...

空空如也

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同步是同时吗