PMSM学习(2)——磁链、电压、转矩方程

本文详细解析了PMSM(永磁同步电机)在不同结构下的数学模型,包括表贴式与插入式的磁链、电压及转矩方程,并探讨了如何利用这些方程进行有效的电机控制。

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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

[ΨaΨbΨc]=[LaaLabLacLbaLbbLbcLcaLcbLcc]⋅[iaibic]+[ΨfaΨfbΨfc]\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=LaaLbaLcaLabLbbLcbLacLbcLcciaibic+ΨfaΨfbΨfc

其中Ψfa、Ψfb、Ψfc\varPsi_{fa}、\varPsi_{fb}、\varPsi_{fc}ΨfaΨfbΨfc在矢量图中可表示为

[ΨaΨbΨc]=[Ψfcos⁡θrΨfcos⁡(θr−120∘)Ψfcos⁡(θr+120∘)]\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

Laa=Lbb=Lcc=Lsσ+LmfL_{aa}=L_{bb}=L_{cc}=L_{s \sigma}+L_{mf}Laa=Lbb=Lcc=Lsσ+LmfLmfL_{mf}Lmf为励磁等效电感
Lab=Lac=Lbc=Lba=Lcb=Lca=Lmfcos⁡(120∘)=−12LmfL_{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Ψa\varPsi_aΨa为例,加入定子侧绕组为Y型连接,则会满足ia+ib+ic=0i_a+i_b+i_c=0ia+ib+ic=0,则Ψa=Laa∗ia+Lab∗ib+Lac∗ic+Ψfa=(Lsσ+32Lmf)∗ia\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_aΨa=Laaia+Labib+Lacic+Ψfa=(Lsσ+23Lmf)ia,则等效励磁电感Lm=32LmfL_m=\tfrac{3}{2}L_{mf}Lm=23Lmf,漏感为LsσL_{s\sigma}Lsσ,同步电感为LA=Lsσ+32LmfL_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+isi_sis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

us=Rsis+dΨsdtu_s=R_si_s+\tfrac{d\varPsi_s}{dt}us=Rsis+dtdΨs

所以可得
[UaUbUc]=[Rs000Rs000Rs]⋅[IaIbIc]+P[ΨaΨbΨc]\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=Rs000Rs000RsIaIbIc+PΨaΨbΨc,P为微分算子
显然,Ua、Ub、UcU_a、U_b、U_cUaUbUc是以时间为变量的参数,而usu_sus是空间矢量,其应满足us=23(Ua+aUb+a2Uc)u_s=\sqrt{\tfrac{2}{3}}(U_a+aU_b+a^2U_c)us=32(Ua+aUb+a2Uc),其中a=ej2/3πa=e^{j2/3\pi}a=ej2/3π为旋转因子,以下通过usu_sus来推导
由上可知Ψs=Lsis+Ψf\varPsi_s=L_si_s+\varPsi_fΨs=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Ψf=∣Ψf∣ejθr\varPsi_f=\mid\varPsi_f\mid e^{j\theta_r}Ψf=∣Ψfejθr,所以usu_sus可以表示为

us=Rsis+Lsdisdt+jωrΨfu_s=R_si_s+L_s\tfrac{di_s}{dt}+j\omega_r\varPsi_fus=Rsis+Lsdtdis+jωrΨf

3.矢量图

已知us=Rsis+Lsdisdt+jωrΨfu_s=R_si_s+L_s\tfrac{di_s}{dt}+j\omega_r\varPsi_fus=Rsis+Lsdtdis+jωrΨf,则可以等效为
等效电路图
其中e0=jωrΨfe_0=j\omega_r\varPsi_fe0=jωrΨf,矢量图如下,

左为空间矢量图,右为时间矢量图

4.转矩方程

Te=pΨs×isT_e=p\varPsi_s\times i_sTe=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Ψs=Lsis+Ψf\varPsi_s=L_si_s+\varPsi_fΨs=Lsis+Ψf,计算之后Te=pΨf×is=Ψfissin⁡β=ΨfiqT_e=p\varPsi_f\times i_s=\varPsi_fi_s\sin\beta=\varPsi_fi_qTe=pΨf×is=Ψfissinβ=Ψfiq,所以此时可以称iqi_qiq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id=0i_d=0id=0,将功率给到qqq轴,使用iqi_qiq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idi_did控制弱磁,iqi_qiq控制转矩。

二、插入式/内插式

1.dq轴下的数学模型

内插式PMSM
此时存在磁阻转矩,励磁电感Lmd<LmqL_{md}<L_{mq}Lmd<Lmq,同步电感Ld=Lmd+Lsσ,Lq=Lmq+LsσL_d=L_{md}+L_{s\sigma},L_q=L_{mq}+L_{s\sigma}Ld=Lmd+LsσLq=Lmq+Lsσ,由于Ψf=Lmfif\varPsi_f=L_{mf}i_fΨf=Lmfif在d轴上,所以Lmd=LmfL_{md}=L_{mf}Lmd=Lmf

2.dq轴下的磁链方程

{Ψd=Ψf+LdidΨq=Lqiq\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ωr\omega_rωr的转速,故电压方程应为

us=Rsis+dΨsdt+jωrΨsu_s=R_si_s+\tfrac{d\varPsi_s}{dt}+j\omega_r\varPsi_sus=Rsis+dtdΨs+jωrΨs

{ud=Rdid+dΨddt−ωrΨquq=Rqiq+dΨqdt+ωrΨd,us=ud+juq,Ψs=Ψd+jΨq\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

Te=pΨs×is=p(Ψd+jΨq)×(id+jiq)=p(Ldid+Ψf+jLqiq)×(id+jiq)=p[Ψfiq+(Ld−Lq)idiq]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]
  • Te=p[Ψfiq+(Ld−Lq)idiq]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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