PMSM学习(2)——磁链、电压、转矩方程

PMSM的电压、磁链、转矩方程

一、表贴式(面装式)

1. A-B-C象限中的磁链方程

[ Ψ a Ψ b Ψ c ] = [ L a a L a b L a c L b a L b b L b c L c a L c b L c c ] ⋅ [ i a i b i c ] + [ Ψ f a Ψ f b Ψ f c ] \begin{bmatrix}\varPsi_a\\\varPsi_b \\\varPsi_c\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} L_{aa} & L_{ab} &L_{ac}\\ L_{ba} & L_{bb} & L_{bc} \\L_{ca} & L_{cb} & L_{cc}\end{bmatrix}\cdotp\begin{bmatrix} i_a\\i_b \\ i_c\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}\varPsi_{fa}\\\varPsi_{fb} \\\varPsi_{fc}\end{bmatrix} ΨaΨbΨc = LaaLbaLcaLabLbbLcbLacLbcLcc iaibic + ΨfaΨfbΨfc

其中 Ψ f a 、 Ψ f b 、 Ψ f c \varPsi_{fa}、\varPsi_{fb}、\varPsi_{fc} ΨfaΨfbΨfc在矢量图中可表示为

[ Ψ a Ψ b Ψ c ] = [ Ψ f cos ⁡ θ r Ψ f cos ⁡ ( θ r − 12 0 ∘ ) Ψ f cos ⁡ ( θ r + 12 0 ∘ ) ] \begin{bmatrix}\varPsi_a\\\varPsi_b \\\varPsi_c\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\varPsi_f\cos\theta_r\\\varPsi_f\cos(\theta_r-120^\circ)\\\varPsi_f\cos(\theta_r+120^\circ)\end{bmatrix} ΨaΨbΨc = ΨfcosθrΨfcos(θr120)Ψfcos(θr+120)

其中自感和互感参数如下

L a a = L b b = L c c = L s σ + L m f L_{aa}=L_{bb}=L_{cc}=L_{s \sigma}+L_{mf} Laa=Lbb=Lcc=Lsσ+Lmf L m f L_{mf} Lmf为励磁等效电感
L a b = L a c = L b c = L b a = L c b = L c a = L m f cos ⁡ ( 12 0 ∘ ) = − 1 2 L m f L_{ab}=L_{ac}=L_{bc}=L_{ba}=L_{cb}=L_{ca}=L_{mf}\cos(120^\circ)=-\tfrac{1}{2}L_{mf} Lab=Lac=Lbc=Lba=Lcb=Lca=Lmfcos(120)=21Lmf
则以 Ψ a \varPsi_a Ψa为例,加入定子侧绕组为Y型连接,则会满足 i a + i b + i c = 0 i_a+i_b+i_c=0 ia+ib+ic=0,则 Ψ a = L a a ∗ i a + L a b ∗ i b + L a c ∗ i c + Ψ f a = ( L s σ + 3 2 L m f ) ∗ i a \varPsi_a=L_{aa}*i_a+L_{ab}*i_b+L_{ac}*i_c+\varPsi_{fa}=(L_{s\sigma}+\tfrac{3}{2}L_{mf})*i_a Ψa=Laaia+Labib+Lacic+Ψfa=(Lsσ+23Lmf)ia,则等效励磁电感 L m = 3 2 L m f L_m=\tfrac{3}{2}L_{mf} Lm=23Lmf,漏感为 L s σ L_{s\sigma} Lsσ,同步电感为 L A = L s σ + 3 2 L m f L_A=L_{s\sigma}+\tfrac{3}{2}L_{mf} LA=Lsσ+23Lmf
对于定子磁链,定子磁链=电驱反应磁场(漏磁链+ i s i_s is励磁磁链)+转子磁链(主极磁场)

2.A-B-C象限电压方程

由于A-B-C象限为三相静止象限,则电压与励磁满足如下关系

u s = R s i s + d Ψ s d t u_s=R_si_s+\tfrac{d\varPsi_s}{dt} us=Rsis+dtdΨs

所以可得
[ U a U b U c ] = [ R s 0 0 0 R s 0 0 0 R s ] ⋅ [ I a I b I c ] + P [ Ψ a Ψ b Ψ c ] \begin{bmatrix}U_a\\U_b \\U_c\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}R_s & 0 & 0\\0 & R_s & 0 \\0&0&R_s\end{bmatrix}\cdotp\begin{bmatrix}I_a\\I_b \\I_c\end{bmatrix}+P\begin{bmatrix}\varPsi_a\\\varPsi_b \\\varPsi_c\end{bmatrix} UaUbUc = Rs000Rs000Rs IaIbIc +P ΨaΨbΨc ,P为微分算子
显然, U a 、 U b 、 U c U_a、U_b、U_c UaUbUc是以时间为变量的参数,而 u s u_s us是空间矢量,其应满足 u s = 2 3 ( U a + a U b + a 2 U c ) u_s=\sqrt{\tfrac{2}{3}}(U_a+aU_b+a^2U_c) us=32 (Ua+aUb+a2Uc),其中 a = e j 2 / 3 π a=e^{j2/3\pi} a=ej2/3π为旋转因子,以下通过 u s u_s us来推导
由上可知 Ψ s = L s i s + Ψ f \varPsi_s=L_si_s+\varPsi_f Ψs=Lsis+Ψf,即电枢磁链等于定子磁链与转子磁链的合成,同时转子磁链 Ψ f = ∣ Ψ f ∣ e j θ r \varPsi_f=\mid\varPsi_f\mid e^{j\theta_r} Ψf=∣Ψfejθr,所以 u s u_s us可以表示为

u s = R s i s + L s d i s d t + j ω r Ψ f u_s=R_si_s+L_s\tfrac{di_s}{dt}+j\omega_r\varPsi_f us=Rsis+Lsdtdis+jωrΨf

3.矢量图

已知 u s = R s i s + L s d i s d t + j ω r Ψ f u_s=R_si_s+L_s\tfrac{di_s}{dt}+j\omega_r\varPsi_f us=Rsis+Lsdtdis+jωrΨf,则可以等效为
PMSM学习(2)——磁链、电压、转矩方程_第1张图片
其中 e 0 = j ω r Ψ f e_0=j\omega_r\varPsi_f e0=jωrΨf,矢量图如下,

PMSM学习(2)——磁链、电压、转矩方程_第2张图片

4.转矩方程

T e = p Ψ s × i s T_e=p\varPsi_s\times i_s Te=pΨs×is,p为级数

上式转矩方程为PMSM通用形式,对于PMSM,定子侧是能量输出端,故转矩方程使用定子端
对于表贴式 Ψ s = L s i s + Ψ f \varPsi_s=L_si_s+\varPsi_f Ψs=Lsis+Ψf,计算之后 T e = p Ψ f × i s = Ψ f i s sin ⁡ β = Ψ f i q T_e=p\varPsi_f\times i_s=\varPsi_fi_s\sin\beta=\varPsi_fi_q Te=pΨf×is=Ψfissinβ=Ψfiq,所以此时可以称 i q i_q iq转矩电流
注意:对于表贴式,要达到转矩/电流比最小,即效率最大化,便是使 i d = 0 i_d=0 id=0,将功率给到 q q q轴,使用 i q i_q iq控制转矩。

dq轴为与转子同步旋转的轴,此时将d轴和q轴解耦,对于电流便是 i d i_d id控制弱磁, i q i_q iq控制转矩。

二、插入式/内插式

1.dq轴下的数学模型

PMSM学习(2)——磁链、电压、转矩方程_第3张图片
此时存在磁阻转矩,励磁电感 L m d < L m q L_{md}Lmd<Lmq,同步电感 L d = L m d + L s σ , L q = L m q + L s σ L_d=L_{md}+L_{s\sigma},L_q=L_{mq}+L_{s\sigma} Ld=Lmd+LsσLq=Lmq+Lsσ,由于 Ψ f = L m f i f \varPsi_f=L_{mf}i_f Ψf=Lmfif在d轴上,所以 L m d = L m f L_{md}=L_{mf} Lmd=Lmf

2.dq轴下的磁链方程

{ Ψ d = Ψ f + L d i d Ψ q = L q i q \begin{cases}\varPsi_d=\varPsi_f+L_di_d \\\varPsi_q=L_qi_q\end{cases} {Ψd=Ψf+LdidΨq=Lqiq,

3.dq轴下的电压方程

由于dq轴为转子同步旋转轴,存在 ω r \omega_r ωr的转速,故电压方程应为

u s = R s i s + d Ψ s d t + j ω r Ψ s u_s=R_si_s+\tfrac{d\varPsi_s}{dt}+j\omega_r\varPsi_s us=Rsis+dtdΨs+jωrΨs

{ u d = R d i d + d Ψ d d t − ω r Ψ q u q = R q i q + d Ψ q d t + ω r Ψ d , u s = u d + j u q , Ψ s = Ψ d + j Ψ q \begin{cases}u_d=R_di_d+\tfrac{d\varPsi_d}{dt}-\omega_r\varPsi_q \\u_q=R_qi_q+\tfrac{d\varPsi_q}{dt}+\omega_r\varPsi_d\end{cases},u_s=u_d+ju_q,\varPsi_s=\varPsi_d+j\varPsi_q {ud=Rdid+dtdΨdωrΨquq=Rqiq+dtdΨq+ωrΨdus=ud+juqΨs=Ψd+jΨq,可以互相验证。

4.转矩方程

T e = p Ψ s × i s = p ( Ψ d + j Ψ q ) × ( i d + j i q ) = p ( L d i d + Ψ f + j L q i q ) × ( i d + j i q ) = p [ Ψ f i q + ( L d − L q ) i d i q ] T_e=p\varPsi_s\times i_s=p(\varPsi_d+j\varPsi_q)\times(i_d+ji_q)=p(L_did+\varPsi_f+jL_qiq)\times(i_d+ji_q)=p[\varPsi_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] Te=pΨs×is=p(Ψd+jΨq)×(id+jiq)=p(Ldid+Ψf+jLqiq)×(id+jiq)=p[Ψfiq+(LdLq)idiq]

  • T e = p [ Ψ f i q + ( L d − L q ) i d i q ] T_e=p[\varPsi_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] Te=p[Ψfiq+(LdLq)idiq]

在dq轴下即可以使用转子磁场定向矢量控制,转子磁场定向的作用是转子磁场与电枢磁场作用。

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