永磁同步电机工作原理及控制策略

内容提要

内容提要内容提要

内容提要PMSM和BLDC电机的特点PMSM和BLDC电机的应用范围PMSM和BLDC电机的结构PMSM和BLDC电机的结构PMSM和BLDC电机的工作原理PMSM和BLDC电机的控制策略PMSM电机的FOC控制策略PMSM和

和和

和BLDC电机的特点

电机的特点电机的特点

电机的特点优点（

（（

（1）

））

）功率密度大

功率密度大功率密度大

功率密度大；

；；

；

（

（（

（2）

））

）功率因数高

功率因数高功率因数高

功率因数高（

（（

（气隙磁场主要或全部由转

气隙磁场主要或全部由转气隙磁场主要或全部由转

气隙磁场主要或全部由转

子磁场提供

子磁场提供子磁场提供

子磁场提供）

））

）；

；；

；

（

（（

（3）

））

）效率高

效率高效率高

效率高（

（（

（不需要励磁

不需要励磁不需要励磁

不需要励磁，

，，

，绕组损耗小

绕组损耗小绕组损耗小

绕组损耗小）

））

）；

；；

；

（

（（

（4）

））

）结构紧凑

结构紧凑结构紧凑

结构紧凑、

、、

、体积小

体积小体积小

体积小、

、、

、重量轻

重量轻重量轻

重量轻，

，，

，维护简

维护简维护简

维护简

单

单单

单；

；；

；

（

（（

（5）

））

）内埋式交直轴电抗不同

内埋式交直轴电抗不同内埋式交直轴电抗不同

内埋式交直轴电抗不同，

，，

，产生结构转

产生结构转产生结构转

产生结构转

矩

矩矩

矩，

，，

，弱磁性能好

弱磁性能好弱磁性能好

弱磁性能好，

，，

，表面贴装式弱磁性

表面贴装式弱磁性表面贴装式弱磁性

表面贴装式弱磁性

能较差

能较差能较差

能较差。

。。

。缺点

（

（（

（1）

））

）价格较高

价格较高价格较高

价格较高；

；；

；

（

（（

（2）

））

）弱磁能力低

弱磁能力低弱磁能力低

弱磁能力低；

；；

；

PMSM和

和和

和BLDC电机的特点

电机的特点电机的特点

电机的特点（

（（

（2）

））

）弱磁能力低

弱磁能力低弱磁能力低

弱磁能力低；

；；

；

（

（（

（3）

））

）起动困难

起动困难起动困难

起动困难，

，，

，高速制动时电势高

高速制动时电势高高速制动时电势高

高速制动时电势高，

，，

，给

给给

给

逆变器带来一定的风险

逆变器带来一定的风险逆变器带来一定的风险

逆变器带来一定的风险；

；；

；

（

（（

（4）

））

）他控式同步电机有失步和震荡的可

他控式同步电机有失步和震荡的可

他控式同步电机有失步和震荡的可

他控式同步电机有失步和震荡的可

能性

能性能性

能性。

。。

。PMSM和

和和

和BLDC电机的应用范围

电机的应用范围电机的应用范围

电机的应用范围软、硬磁盘驱动器、录像机磁鼓（视频磁

头）和磁带伺服系统

体积小

体积小体积小

体积小、

、、

、容量小

容量小容量小

容量小、

、、

、控制精度高

控制精度高控制精度高

控制精度高机床、机器人等数控系统

快速性好

快速性好快速性好

快速性好、

、、

、定位

定位定位

定位（

（（

（速度和位置

速度和位置速度和位置

速度和位置）

））

）精度高

精度高精度高

精度高、

、、

、

起动转矩大

起动转矩大起动转矩大

起动转矩大、

、、

、过载能力强

过载能力强过载能力强

过载能力强交通运输

电动自行车

电动自行车电动自行车

电动自行车、

、、

、电动汽车

电动汽车电动汽车

电动汽车、

、、

、混合动力车

混合动力车混合动力车

混合动力车、

、、

、

城轨车辆

城轨车辆城轨车辆

城轨车辆、

、、

、机车牵引

机车牵引机车牵引

机车牵引

PMSM和

和和

和BLDC电机的应用范围

电机的应用范围电机的应用范围

电机的应用范围城轨车辆

城轨车辆城轨车辆

城轨车辆、

、、

、机车牵引

机车牵引机车牵引

机车牵引家用电器

冰箱

冰箱冰箱

冰箱、

、、

、空调等

空调等空调等

空调等（

（（

（单位体积功率密度高

单位体积功率密度高单位体积功率密度高

单位体积功率密度高、

、、

、

体积小

体积小体积小

体积小）

））

）r

b⊙

⊙A

Z

Y⊕

模拟结构图

PMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构r

r

g

g

b

b⊙

⊙⊕⊕C

B

X实物结构图PMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构霍尔传感器

定子绕组

转子磁铁定子

定子绕组一般制成多相

定子绕组一般制成多相定子绕组一般制成多相

定子绕组一般制成多相（

（（

（三

三三

三、

、、

、四

四四

四、

、、

、五相不

五相不五相不

五相不

等

等等

等）

））

），

，，

，通常为三相绕组

通常为三相绕组通常为三相绕组

通常为三相绕组。

。。

。三相绕组沿定子

三相绕组沿定子三相绕组沿定子

三相绕组沿定子

PMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构等

等等

等）

））

），

，，

，通常为三相绕组

通常为三相绕组通常为三相绕组

通常为三相绕组。

。。

。三相绕组沿定子

三相绕组沿定子三相绕组沿定子

三相绕组沿定子

铁心对称分布

铁心对称分布铁心对称分布

铁心对称分布，

，，

，在空间互差

在空间互差在空间互差

在空间互差120度电角度

度电角度度电角度

度电角度，

，，

，

通入三相交流电时

通入三相交流电时通入三相交流电时

通入三相交流电时，

，，

，产生旋转磁场

产生旋转磁场产生旋转磁场

产生旋转磁场。

。。

。转子

转子采用永磁体

转子采用永磁体转子采用永磁体

转子采用永磁体，

，，

，目前主要以钕铁硼作

目前主要以钕铁硼作目前主要以钕铁硼作

目前主要以钕铁硼作

为永磁材料

为永磁材料为永磁材料

为永磁材料。

。。

。采用永磁体简化了电机的

采用永磁体简化了电机的采用永磁体简化了电机的

采用永磁体简化了电机的

PMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构结构

结构结构

结构，

，，

，提高了可靠性

提高了可靠性提高了可靠性

提高了可靠性，

，，

，又没有转子铜耗

又没有转子铜耗又没有转子铜耗

又没有转子铜耗，

，，

，

提高电机的效率

提高电机的效率提高电机的效率

提高电机的效率。

。。

。PMSM按转子永磁体的结构可分为两种

（

（（

（1）

））

）表面贴装式

表面贴装式表面贴装式

表面贴装式（

（（

（SM-PMSM）

））

）Ld

LqPMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构直交轴电感

直交轴电感直交轴电感

直交轴电感Ld和

和和

和Lq相同

相同相同

相同

气隙较大

气隙较大气隙较大

气隙较大，

，，

，弱磁能力小

弱磁能力小弱磁能力小

弱磁能力小，

，，

，

扩速能力受到限制

扩速能力受到限制扩速能力受到限制

扩速能力受到限制（

（（

（2）

））

）内埋式

内埋式内埋式

内埋式（

（（

（IPMSM）

））

）交直轴电感

交直轴电感交直轴电感

交直轴电感:Lq>LdPMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构气隙较小

气隙较小气隙较小

气隙较小，

，，

，有较好的

有较好的有较好的

有较好的

弱磁能力

弱磁能力弱磁能力

弱磁能力无刷直流电机永磁体的弧极为

永磁体的弧极为永磁体的弧极为

永磁体的弧极为180

180180

180度

度度

度，

，，

，永磁体产生的气

永磁体产生的气永磁体产生的气

永磁体产生的气

隙磁场呈梯形波分布

隙

磁场呈梯形波分布隙磁场呈梯形波分布

隙磁场呈梯形波分布，

，，

，线圈内感应电动

线圈内感应电动线圈内感应电动

线圈内感应电动

势亦是交流梯形波

势亦是交流梯形波势亦是交流梯形波

势亦是交流梯形波

PMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构势亦是交流梯形波

势亦是交流梯形波势亦是交流梯形波

势亦是交流梯形波定子绕组为

定子绕组为定子绕组为

定子绕组为Y

YY

Y或

或或

或联结三相整距绕组

联结三相整距绕组联结三相整距绕组

联结三相整距绕组由于气隙较大

由于气隙较大由于气隙较大

由于气隙较大，

，，

，故电枢反应很小

故电枢反应很小故电枢反应很小

故电枢反应很小?正弦波永磁同步电机永磁体表面设计成抛物线

永磁体表面设计成抛物线永磁体表面设计成抛物线

永磁体表面设计成抛物线，

，，

，极弧大体为

极弧大体为极弧大体为

极弧大体为

120

120120

120度

度度

度

PMSM和

和和

和BLDC电机的结构

电机的结构电机的结构

电机的结构定子绕组为短距

定子绕组为短距定子绕组为短距

定子绕组为短距、

、、

、分布绕组

分布绕组分布绕组

分布绕组定子由正弦波脉宽调制

定子由正弦波脉宽调制定子由正弦波脉宽调制

定子由正弦波脉宽调制（

（（

（SVPWM

SVPWMSVPWM

SVPWM）

））

）的电压

的电压的电压

的电压

型逆变其供电

型逆变其供电型逆变其供电

型逆变其供电，

，，

，三相电流为正弦或准正

三相电流为正弦或准正三相电流为正弦或准正

三相电流为正弦或准正

弦波

弦波弦波

弦波PMSM的数学模型为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通

过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进

行线性变换，实现电机数学模型的解耦。βuqB

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理：定子电压suABC、、：定子三相静止坐标系

：定子两相静止坐标系

：转子两相坐标系αβ、d、

qrθδαAfψdsψsqisdisusi0CB：定子电流

：定子磁链矢量

：转子磁链矢量

：转子角位置

：电机转矩角s

s

s

f

riψ

ψ

θ

δ假设：1)忽略电动机铁心的饱和；

2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；

3)转子无阻尼绕组。

永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学

模型可以表达如下：dψ

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理s

sssd

uRi

dtψ=+rj

sssfLie

θψψ=+定子电压：

定子磁链：

电磁转矩：3

2epssTni

ψ=×永磁同步电动机在坐标系中的数学模型可

以表达如下：

αβ?sssjαβψψψ=+定子电流：

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理sss

αβψψψ=+sssiijiαβ=+定子磁链：

电磁转矩：()3

2epssssTnii

αββαψψ=?永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模

型可以表达如下：

定子电压：d

dsdrqd

uRi

dtψ

ωψ=+?d

ψ

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理定子磁链：

电磁转矩：q

qsqrdd

uRi

dt

ψ

ωψ=+?dddfLiψψ=+qqqLiψ=3

()

2enfqdqdqTpiLLiiψ??

=+?

??...VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、、、、、每一瞬间有两个功率开关导通，每隔60度换相一次，

每次换相一个功率开关，每个功率开关导通120度电

角度。导通顺序为（

（（

（1

11

1）

））

）两两通电方式

两两通电方式两两通电方式

两两通电方式PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理BLDC电机控制方式[1**********]1...VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、、、、、角度。导通顺序为

全控桥两两通电电路原理图1U1

VF3VF5VF4VF6VF2VFA

BC

译

码

电

路H1

H2

H3t

ω0

00

01Htω2H0

00

03H0

00

0

ππ2tω

π3π4将三只霍尔集成电路

按相位差120度安装，

产生波形如图所示。

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理T

TabTacTacTa)

导通时合成转矩12VFVF、aTbTcTbcTcT?aTbTcT)aabTacTbcTbaTcaT)b)caccT?a)导通时合成转矩

b)导通是合成转矩

c)两两通电时合成转矩23VFVF

、Y联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图[***********]123...VFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVFVF、、、、、、每一瞬间有三个功率开关导通，每隔60度换相一次，

每个功率开关导通180度电角度。导通顺序为（

（（

（2

22

2）

））

）三三通电方式

三三通电方式三三通电方式

三三通电方式PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理U1U1

VF3VF5VF4VF6VF2VFA

BC

译

码

电

路H1

H2

H3Y

联结三三通电方式的控制原理图Y联结三三通电方式相电压和线电压波形tω0

00

0abvπ2

πtωanv0

00

0dVM

MM

MdV

3

2dV

3

1

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理612VFVFVF三三通电时的合成转矩矢量图

a)导通时合成转矩

b)导通是合成转矩

c)三三通电时合成转矩

2cT

?a

TcT2bTcT

?

aTbTcT)

a)b)c

2bT

?

2aToTo

ToToToToToT123VFVFVFBLDC电机稳定运行机械

特性方程（

（（

（3

33

3）

））

）BLDC

BLDCBLDC

BLDC电机运行性能和传递函数

电机运行性能和传递函数电机运行性能和传递函数

电机运行性能和传递函数：电机转速（r/min）；nPMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理()a

eeTUUR

nT

KKK

??

=??r/min

：电源电压（V）；

：功率开关压降（V）；

：电动势系数；

：电动机产生的电动转矩平

均（N.m）;

：转矩系数；

：电动机的内阻（）。e

a

Tn

U

U

K

T

K

R

?a

aTUUEIR

TKI

??=+

=LTBLDC

电机的动态特性方程

：电动机负载阻转矩；

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理2375aT

aL

aeTKI

GDdn

TT

dt

EKn

=

?=?

=24

GDgJ=2

LT

GD：电动机转子飞轮力矩

（），

（为转动惯量）2.

Nm

JBLDC电机传递函数1

RTK()LTs

?2375

GDseK()

ns()aEs()()UsUs??BLDC电动机动态结构图PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理12()()

11L

eeKK

nsUsT

TsTs

=?

++1

2

21/

/

/(375)r

eT

eeTKK

KRKK

TRGDKK

=

=

=

；

；

。1

2

eK

K

T：电动势传递系数，

：转矩传递系数，

：电磁时间常数，

BLDC电动机动态结构图（

（（

（1）

））

）开环控制

开环控制开环控制

开环控制：

：：

：u/f恒定

恒定恒定

恒定

（

（（

（2）

））

）闭环控制

闭环控制闭环控制

闭环控制：

：：

：永磁同步电机控制方式

PMSM和

和和

和BLDC电机的工作原理

电机的工作原理电机的工作原理

电机的工作原理（

（（

（2）

））

）闭环控制

闭环控制闭环控制

闭环控制：

：：

：矢量控制（70年代）直接转矩控制（80年代）定子电流经过坐标变换后转化为两相

定子电流经过坐标变换后转化为两相定子电流经过坐标变换后转化为两相

定子电流经过坐标变换后转化为两相

旋转坐标系上的电流

旋转坐标系上的电流旋转坐标系上的电流

旋转坐标系上的电流和

和和

和，

，，

，从而

从而从而

从而dsqs

ii

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略1、工作原理

调节转矩

调节转矩调节转矩

调节转矩和实现弱磁控制

和实现弱磁控制和实现弱磁控制

和实现弱磁控制。

。。

。

FOC中需要测量的量为

中需要测量的量为中需要测量的量为

中需要测量的量为：

：：

：定子电流

定子电流定子电流

定子电流、

、、

、

转子位置角

转子位置角转子位

置角

转子位置角

eT以转子磁场定向

以转子磁场定向以转子磁场定向

以转子磁场定向

2、FOC特点

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略系统动态性能好

系统动态性能好系统动态性能好

系统动态性能好，

，，

，控制精度高

控制精度高控制精度高

控制精度高控制简单

控制简单控制简单

控制简单、

、、

、具有直流电机的调速性能

具有直流电机的调速性能具有直流电机的调速性能

具有直流电机的调速性能运行平稳

运行平稳运行平稳

运行平稳、

、、

、转矩脉动很小

转矩脉动很小转矩脉动很小

转矩脉动很小控制

控制控制

控制定子电流中只有交轴分量

定子电流中只有交轴分量定子电流中只有交轴分量

定子电流中只有交轴分量，

，，

，且定子磁动势空间矢量与

且定子磁动势空间矢量与且定子磁动势空间矢量与

且定子磁动势空间矢量与3、FOC控制方式PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略0di=永磁体磁场空间矢量正交

永磁体磁场空间矢量正交永磁体磁场空间矢量正交

永磁体磁场空间矢量正交，

，，

，电机的输出转矩与定子电

电机的输出转矩与定子电电机的输出转矩与定子电

电机的输出转矩与定子电

流成正比

流成正比流成正比

流成正比。

。。

。

其性能类似于直流电机

其性能类似于直流电机其性能类似于直流电机

其性能类似于直流电机，

，，

，控制系统简单

控制系统简单控制系统简单

控制系统简单，

，，

，转矩性能好

转矩性能好转矩性能好

转矩性能好，

，，

，

可以获得很宽的调速范围

可以获得很宽的调速范围可以获得很宽的调速范围

可以获得很宽的调速范围，

，，

，适用于高性能的数控机床

适用于高性能的数控机床适用于高性能的数控机床

适用于高性能的数控机床、

、、

、

机器人等场合

机器人等场合机器人等场合

机器人等场合。

。。

。电机运行功率因数低

电机运行功率因数低电机运行功率因数低

电机运行功率因数低，

，，

，电机和逆变器

电机和逆变器电机和逆变器

电机和逆变器

容量不能充分利用

容量不能充分利用容量不能充分利用

容量不能充分利用。

。。

。控制

控制控制

控制控制交

控制交控制交

控制交、

、、

、直轴电流分量

直轴电流分量直轴电流分量

直轴电流分量，

，，

，保持

保持保持

保持PMSM

PMSMPMSM

PMSM的功率因数为

的功率因数为的功率因数为

的功率

因数为1

11

1，

，，

，

在

在在

在条件下

条件下条件下

条件下，

，，

，电机的电磁转矩随电流的增加呈

电机的电磁转矩随电流的增加呈电机的电磁转矩随电流的增加呈

电机的电磁转矩随电流的增加呈

现先增加后减小的趋势

现先增加后减小的趋势现先增加后减小的趋势

现先增加后减小的趋势。

。。

。

可以充分利用逆变器的容量

可以充分利用逆变器的容量可以充分利用逆变器的容量

可以充分利用逆变器的容量。

。。

。不足之处在于能够输出

不足之处在于能够输出不足之处在于能够输出

不足之处在于能够输出

的最大转矩较小

的最大转矩较小的最大转矩较小

的最大转矩较小。

。。

。

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略cos1?=cos1?=的最大转矩较小

的最大转矩较小的最大转矩较小

的最大转矩较小。

。。

。最大转矩

最大转矩最大转矩

最大转矩/

//

/电流比控制

电流比控制电流比控制

电流比控制也称为单位电流输出最大转矩的控制

也称为单位电流输出最大转矩的控制也称为单位电流输出最大转矩的控制

也称为单位电流输出最大转矩的控制（

（（

（最优转矩控

最优转矩控最优转矩控

最优转矩控

制

制制

制）

））

）。

。。

。

它是凸极

它是凸极它是凸极

它是凸极PMSM

PMSMPMSM

PMSM用的较多的一种电流控制策略

用的较多的一种电流控制策略用的较多的一种电流控制策略

用的较多的一种电流控制策略。

。。

。当输出

当输出当输出

当输出

转矩一定时

转矩一定时转矩一定时

转矩一定时，

，，

，逆变器输出电流最小

逆变器输出电流最小逆变器输出电流最小

逆变器输出电流最小，

，，

，可以减小电机的

可以减小电机的可以减小电机的

可以减小电机的

铜耗

铜耗铜耗

铜耗。

。。

。4、坐标变换

（

（（

（1

11

1）

））

）Clarke

ClarkeClarke

Clarke（

（（

（3

33

3s/

s/s/

s/2

22

2s

ss

s）

））

）变换

变换变换

变换

Bβ

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略60°

60°OACα2Niα3

BNi2Niβ3CNi3N：三相绕组每相绕组匝数

：两相绕组每相绕组匝数

各相磁动势为有效匝数与电流

的乘积，其相关空间矢量均位

于有关相的坐标轴上。2N设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与相

总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁

动势在轴上的投影都应相等，因此αβ?cos60cos60

NiNiNiNi°°=??PMSM电机的

电机的

电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略2333

3

233

3cos60cos60

11

()

22

sin60sin60

3

()

2ABC

ABC

BC

BCNiNiNiNi

Niii

NiNiNi

Nii

α

β°°

°°=??

=??

=?

=?3

211

1

22

33

0

22A

B

Ci

i

N

i

i

N

iα

β??

??????

??

??

??=??

??

??

??

?????

??

???考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为11

1

2

22

3

33

0

22A

B

Ci

i

i

i

iα

β??

??

??

??

??

??

??

=

??

??

??

??

??

?

??

??

??3

22

3

N

N

=11

??可得

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略2/310

213

322

13

22

C

??

??

??

??

=?

??

??

??

??

??

??3/211

1

2

22

3

33

0

22

C

??

??

??

??

=

??

?

??

??坐标系变换矩阵：如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有3

0

2

i

iα??

??

??

??

??0ABCiii

++=于是PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略0

2

1

2

2A

Bi

i

i

iα

β??

??

??

??

=

??

??

??

??

??

??

??2

0

3

11

62A

Bi

i

i

i

α

β??

??

??

??

??

=

??

??

??

??

??

?

??

??于是两个交流电流和两个

直流电流，产生同样（

（（

（2

22

2）

））

）Park

ParkPark

Park（

（（

（2

22

2s/

s/s/

s/2

22

2r

rr

r）

））

）变换

变换变换

变换ii、iiαβ、PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略qβi()ssFi1ωαd直流电流，产生同样

的以同步转速旋转的合

成磁动势

轴和矢量都以

转速旋转，分量

的长短不变。轴与轴

的夹角随时间变化1ωsFdqii

、dqii、dq、()SsFi1ω?iαOαqiiβdsinqi??sθ

?disindi?cosqi?由图可见，和之间存在下列关系

写成矩阵的形式，得iiαβ、dqii

、cossin

sincosdq

dqiii

iiiα

β??

??=?

=+

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略坐标系变换矩阵：

写成矩阵的形式，得2/2cossin

sincosdd

rs

qqii

i

C

ii

iα

β??

??????

??

?

??

==

????

??

??

??

??

????2/2cossin

sincosrsC??

???

??

=

??

??2/2cossin

sincossrC??

????

=

??

?

??由三组六个开关

（）组成。ASBSCS+（

（（

（3

33

3）

））

）电压空间矢量

电压空间矢量电压空间矢量

电压空间矢量,,,,,ABC

ABCSSSSSS

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略由于与、与、与

之间互为反向，即一个接通，

另一个断开，所以三组开关有

种可能的开关组合PWM逆变器模型dUASBSCS-ASASBSBSCSCS8

23=若规定三相负载的某一相

与“+”极接通时，该相

的开关状态为“1”态；反之，与“-”极接通

时，为“0”态。则8种可能的开关组合

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略逆变器7种不同的电压状态：电压状态“1”至“6”零电压关状态“0”和“7”逆变器的输出电压用空间电压矢量来表示，依

次表示为()sutau1

3

dU2

3dU(001)(101)(011)(100)(110)(010)(000)(111)ssssssssuuuuuuuu

、、、、、、、逆变器非零电压矢量输出时PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略bu

cu0tωtω0

0

3(011)sutω(001)su(101)su(100)su(110)su(010)su逆变器非零电压矢量输出时

的相电压波形、幅值和电压

状态的对应关系图

电压状态和开关状态均以6

个状态为一个周期，相电压

幅值为两种：和2/3dU

±/3dU±把逆变器的7个输出电压状态放入空间平面内，形成

7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量

在空间的位置相隔60o角度，6个工作电压空间矢量

的顶点构成正六边形(

110)u

(010)uβbaβ

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略(100)su

(110)su

(010)su

(011)su

(001)su

(101)su

(000)su

(111)suαacb

βcβ1234567选定定子坐标系中的轴与矢量复平面的实轴

重合，则其三相物理量的矢

量为：aα()()()abcXtXtXt

、、()XtPark

Park22

()()()()

3abcXtXtXtXt

ρρ??

=++

??

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略ρ120=jeρ°式中——复系数，旋转因子，

旋转空间矢量的某个时刻在某轴线轴上的

投影就是该时刻该相物理量的瞬时值。()

Xtabc、、若三相负载的定子绕组接成星形，其输出电

压的空间矢量的矢量变换表达式为011abcS

=Park2/34/32

()

3jj

sabcutuueue

ππ??

=++

??对于状态

“1”时；可知abc、、()sutPMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略2/3

/3ad

bcduu

uuu

=?

==011abcS

=对于状态“1”时；可知

则2/34/32211

(011)()

3333

22

33jj

sddd

j

dduuueue

uueππ

π??

=?++

??

??

=?=电压空间矢量的结论：逆变器六个工作电压状态给出了六个不同方向

的电压空间矢量。它们周期性地顺序出现，相

邻两个矢量之间相差60度；电压空间矢量的幅值不变

，都等于，因2/3duPMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略电压空间矢量的幅值不变，都等于，因

此六个电压空间矢量的顶点构成了正六边形的

六个顶点；六个电压空间矢量的顺序如下，它们依次沿逆

时针方

向旋转；零电压状态

7位于六边形中心。2/3du(011)(001)(101)(011)(100)(110)ssssssuuuuuu?????5、FOC基本方程

SM-PMSM的电压和磁链方程：定子相绕组

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略：定子相绕组电感

：定子相绕组互感

：转子电角度

：转子永磁磁链

其中磁链转矩方程PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略说明：交轴电流和转矩是线性关系，而直轴电流

对转矩没有影响。

如果为电机额定电流，当时产

生最大转矩（）。sIqsidsi,0qssdsiIi

==22

sqsdsIii

=+6、FOC的组成

（

（（

（1

11

1）

））

）SVPWM

SVPWMSVPWM

SVPWM模块

模块模块

模块。

。。

。采用先进的调制算法以

采用先进的调制算法以采用先进的调制算法以

采用先进的调制算法以

减少电流谐波

减少电流谐波减少电流谐波

减少电流谐波、

、、

、提高直流母线电压

提高直流母线电压提高直流母线电压

提高直流母线电压

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略减少电流谐波

减少电流谐波减少电流谐波

减少电流谐波、

、、

、提高直流母线电压

提高直流母线电压提高直流母线电压

提高直流母线电压

利用率

利用率利用率

利用率；

；；

；

（

（（

（2

22

2）

））

）电流读取模块

电流读取模块电流读取模块

电流读取模块。

。。

。通过精密电阻或电

通过精密电阻或电通过精密电阻或电

通过精密电阻或电

流传感器测量定子电流

流传感器测量定子电流流传感器测量定子电流

流传感器测量定子电流；

；；

；（

（（

（3

33

3）

））

）转子速度

转子速度转子速度

转子速度/

//

/位置反馈模块

位置反馈模块位置反馈模块

位置反馈模块。

。。

。采用霍尔

采用霍尔采用霍尔

采用霍尔

传感器或增量式光电编码器来准确

传感器或增量式光电编码器来准确传感器或增量式光电编码器来准确

传感器或增量式光电编码器来准确

获取转子位置和角速度信息

获取转子位置和角速度信息获取转子位置和角速度信息

获取转子位置和角速度信息，

，，

，也可

也可也可

也可

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略采用无传感器检测算法进行测量

采用无传感器检测算法进行测量采用无传感器检测算法进行测量

采用无传感器检测算法进行测量；

；；

；

（

（（

（4

44

4）

））

）PID

PIDPID

PID控制模块

控制模块控制

模块

控制模块；

；；

；

（

（（

（5

55

5）

））

）Clark

ClarkClark

Clark、

、、

、Park

ParkPark

Park及

及及

及Reverse

ReverseReverse

ReversePark

ParkPark

Park变换模

变换模变换模

变换模

块

块块

块。

。。

。7、FOC原理图α,β,dqdcU*

rωrω*i*

qsiqsvdsvv

αvβ+??+qsi

?dsi?PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略r

ω?α,βα,β,

dqα,β,,abcrelθ*dsibiaii

βiαdsiqsi+?（

（（

（1

11

1）

））

）将电流读取模块测量的相电流

将电流读取模块测量的相电流将电流读取模块测量的相电流

将电流读取模块测量的相电流和

和和

和，

，，

，

经过

经过经过

经过Clark

ClarkClark

Clark变换将其从三相静止坐标系变

变换将其从三相静止坐标系变变换将其从三相静止坐标系变

变换将其从三相静止坐标系变

换到两相静止坐标系

换到两相静止坐标系换到两相静止坐标系

换到两相静止坐标系和

和和

和；

；；

；

（

（（

（2

22

2）

））

）和

和和

和与转子位置

与转子位置与转子位置

与转子位置结合

结合结合

结合，

，，

，经过

经过经过

经过Park

ParkPark

Park变换

变换变换

变换

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略

biaiiαiβiαiβrelθ（

（（

（2

22

2）

））

）和

和和

和与转子位置

与转子位置与转子位置

与转子位置结合

结合结合

结合，

，，

，经过

经过经过

经过Park

ParkPark

Park变换

变换变换

变换

从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系

从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系

从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系

和

和和

和；

；；

；

（

（（

（3

33

3）

））

）转子速度

转子速度转子速度

转子速度/

//

/位置反馈模块将测量的转子角

位置反馈模块将测量的转子角位置反馈模块将测量的转子角

位置反馈模块将测量的转子角

速度

速度速度

速度与参考转速

与参考转速与参考转速

与参考转速进行比较

进行比较进行比较

进行比较，

，，

，并通过

并通过并通过

并通过PI

PIPI

PI

调节器产生交轴参考电流

调节器产生交轴参考电流调节器产生交轴参考电流

调节器产生交轴参考电流；

；；

；iα

iβdiqirω*

rω*

qsi

relθ（

（（

（4

44

4）

））

）交

交交

交、

、、

、直轴参考电流

直轴参考电流直轴参考电流

直轴参考电流与实际反馈的交

与实际反馈的交与

实际反馈的交

与实际反馈的交、

、、

、

直轴电流

直轴电流直轴电流

直轴电流进行比较

进行比较进行比较

进行比较，

，，

，取直轴参考电流

取直轴参考电流取直轴参考电流

取直轴参考电流

为

为为

为0

00

0。

。。

。再经过

再经过再经过

再经过PI

PIPI

PI调节器

调节器调节器

调节器，

，，

，转化为电压

转化为电压转化为电压

转化为电压

和

和和

和；

；；

；

PMSM电机的

电机的电机的

电机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略**

dsqsii

、dsqs

ii、*

ds

idsvqsv和

和和

和；

；；

；

（

（（

（5

55

5）

））

）电压

电压电压

电压和

和和

和与检测到的转子角位置

与检测到的转子角位置与检测到的转子角位置

与检测到的转子角位置相结

相结相结

相结

合进行反

合进行反合进行反

合进行反Park

ParkPark

Park变换

变换变换

变换，

，，

，变换为两相静止坐标

变换为两相静止坐标变换为两相静止坐标

变换为两相静止坐标

系的电压

系的电压系的电压

系的电压和

和和

和；

；；

；

（

（（

（6

66

6）

））

）电压

电压电压

电压和

和和

和经过

经过经过

经过SVPWM

SVPWMSVPWM

SVPWM模块调制为六路开

模块调制为六路开模块调制为六路开

模块调制为六路开

关信号从而控制三相逆变器的开通与关

关信号从而控制三相逆变器的开通与关关信号从而控制三相逆变器的开通与关

关信号从而控制三相逆变器的开通与关

断

断断

断。

。。

。

qsvrelθdsvvαvβvαvβqs当

当当

当变化时

变化时变化时

变化时，

，，

，与

与与

与产生偏差

产生偏差产生偏差

产生偏差，

，，

，经

经经

经PI

PIPI

PI调节器输

调节器输调节器输

调节器输

出设定值

出设定值出设定值

出设定值,

,,

,和实际交轴电流

和实际交轴电流和实际交轴电流

和实际交轴电流比较

比较比较

比较，

，，

，得到偏差

得到偏差得到偏差

得到偏差，

，，

，

用来调节实际交轴电流

用来调节实际交轴电流用来调节实际交轴电流

用来调节实际交轴电流；

；；

；

如果直轴电流

如果直轴电流如果直轴电流

如果直轴电流不为

不为不为

不为0

00

0，

，，

，因为直轴电流给定值为

因为直轴电流给定值为因为直轴电流给定值为

因为直轴电流给定值为0

00

0，

，，

，

产生直轴电流偏差

产生直轴电流偏差产生直轴电流偏差

产生直轴电流偏差；

；；

；

PMSM电机的

电机的电机的

电

机的FOC控制策略

控制策略控制策略

控制策略

*

rω

rω*

qs

iqsidsii

?qs

i?rω?产生直轴电流偏差

产生直轴电流偏差产生直轴电流偏差

产生直轴电流偏差；

；；

；

以上两个偏差电流

以上两个偏差电流以上两个偏差电流

以上两个偏差电流和

和和

和经过

经过经过

经过PI

PIPI

PI调节器及反

调节器及反调节器及反

调节器及反Park

ParkPark

Park

变换后为

变换后为变换后为

变换后为SVPWM

SVPWMSVPWM

SVPWM调制算法提供两相电压

调制算法提供两相电压调制算法提供两相电压

调制算法提供两相电压，

，，

，从而

从而从而

从而

进一步调节电压空间矢量

进一步调节电压空间矢量进一步调节电压空间矢量

进一步调节电压空间矢量，

，，

，并通过逆变器来调节电

并通过逆变器来调节电并通过逆变器来调节电

并通过逆变器来调节电

机的转速

机的转速机的转速

机的转速，

，，

，然后重复上述过程

然后重复上述过程然后重复上述过程

然后重复上述过程，

，，

，实现了转速和电流

实现了转速和电流实现了转速和电流

实现了转速和电流

的双闭环控制系统

的双闭环控制系统的双闭环控制系统

的双闭环控制系统。

。。

。dsi

?

vvαβ、qsi

?ds

i?谢谢！谢谢！