Pmsm что это такое

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (англ. permanent magnet synchronous motor, PMSM) — это синхронный электродвигатель, индуктор которого состоит из постоянных магнитов.

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе. Проведенные исследования 1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.

Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева — стандартная, справа обращенная.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

По конструкции ротора синхронные двигатели делятся на:
• электродвигатели с явно выраженными полюсами;
• электродвигатели с неявно выраженными полюсами.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям L_d = L_q, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной L_q ≠ L_d.

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.

Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
• синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
  (англ. SPMSM — surface permanent magnet synchronous motor);
• синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами
  (англ. IPMSM — interior permanent magnet synchronous motor).

Ротор синхронного двигателя c поверхностной установкой постоянных магнитов

Ротор синхронного двигателя со встроенными магнитами

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
• с распределенной обмоткой;
• с сосредоточенной обмоткой.

Статор электродвигателя с распределенной обмоткой

Статор электродвигателя с сосредоточенной обмоткой

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3. k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].

Схема трехфазной распределенной обмотки

Схема трехфазной сосредоточенной обмотки

Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
• трапецеидальная;
• синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

Остановить
Вращающееся магнитное поле синхронного электродвигателя

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь или сервопривод. При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом. Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.

Управление				Преимущества	Недостатки
Синусоидальное	Скалярное			Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
	Векторное	Полеориентированное управление	С датчиком положения	Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования	Требуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления
			Без датчика положения	Не требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положения	Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления
		Прямое управление моментом		Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротора	Высокие пульсации момента и тока
Трапециидальное	Без обратной связи			Простая схема управления	Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
	С обратной связью	С датчиком положения (датчиками Холла)		Простая схема управления	Требуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.
		Без датчика		Требуется более мощная система управления	Не подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.

Популярные способы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например — компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.

Трапециидальное управление

Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является — трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС. При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения. Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.

Управление с обратной связью можно разделить на:
• трапециидальное управление по датчику положения (обычно — по датчикам Холла);
• трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.

Трапециидальное управление по датчикам Холла

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление позволяет плавно, точно и независимо управлять скоростью и моментом бесщеточного электродвигателя. Для работы алгоритма полеориентированного управления требуется знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.

Существует два способа определения положения ротора:
• по датчику положения;
• без датчика — посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.

Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения

В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
• индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
• оптические;
• магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами по датчику положения ротора

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными электродвигателями переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения. Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора. Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.

Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
• запуск скалярным методом — запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
• метод наложения высокочастотного сигнала – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами без датчика положения ротора со скалярным запуском

На текущий момент бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.

Habr. Статья Ю.Н.Калачёва — Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе: управление (синус и/или трапеция)

Например, термин PMSM (СДПМ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе, независимо от формы его ЭДС, но так же часто его применяют, подразумевая исключительно синусоидальную форму ЭДС двигателя.

Термин BLDC (БДПТ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе и трапецеидальной ЭДС, а может вообще обозначать не двигатель, а некий мехатронный узел, включающий в себя:

• двигатель с постоянными магнитами и трапецеидальной ЭДС
• датчик положения ротора
• управляемый по сигналам этого датчика полупроводниковый коммутатор.

Собственно этот мехатронный узел, который может, как и двигатель постоянного тока, управляться постоянным напряжением и породил сам термин BLDC (БДПТ).

Ещё по отношению к синхронным двигателям с постоянными магнитами на роторе в отечественной литературе, можно встретить название «вентильный двигатель».

Попытки автора разобраться с этим термином быстро зашли в тупик, так как в различных источниках обнаружились явные противоречия.

Например, в книге Г.Б. Онищенко «Электрические двигатели» на стр. 47 «вентильным» называется двигатель соответствующий термину BLDC (БДПТ), что предполагает трапецеидальную ЭДС, и это понимаемо.

Но двигатели типа 5ДВМ сам производитель (ЧЭАЗ) называет «вентильными», хотя при этом утверждает, что они имеют синусоидальную ЭДС.

А вот википедия: «Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре. ».

PMSM

Блок PMSM моделирует постоянный магнит синхронный двигатель с трехфазным wye — статор раны. Рисунок показывает эквивалентную электрическую схему для обмоток статора.

Моторная конструкция

Этот рисунок показывает моторную конструкцию с однополюсно-парным на роторе.

Постоянные магниты генерируют магнитное поле ротора, которое создает синусоидальную скорость изменения потока с углом ротора.

Для соглашения осей в предыдущей фигуре a — выравниваются фаза и потоки постоянного магнита, когда угол механического устройства ротора, _θr, является нулем. Блок поддерживает второе определение оси ротора, в котором угол механического устройства ротора задан как угол между a — фазой магнитная ось и ротором q — ось.

Уравнения

Напряжения через обмотки статора заданы:

[ v a v b v c ] = [ R s 000 R s 000 R s ] [ i a i b i c ] + [ d ψ a d t d ψ b d t d ψ c d t ] ,

• _va, _vb и _vc являются отдельными напряжениями фазы через обмотки статора.
• _Rs является эквивалентным сопротивлением каждой обмотки статора.
• _ia, _ib и _ic являются токами, текущими в обмотках статора.
• d ψ a d t , d ψ b d t , и d ψ c d t скорости изменения магнитного потока в каждой обмотке статора.

Постоянный магнит и эти три обмотки способствуют общему потоку, соединяющему каждую обмотку. Общий поток задан:

[ 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 a m ψ b m ψ c m ] ,

• _ψa, _ψb и _ψc являются общими потоками, соединяющими каждую обмотку статора.
• _Laa, _Lbb и _Lcc являются самоиндукциями обмоток статора.
• _Lab, _Lac, _Lba, и так далее, является взаимной индуктивностью обмоток статора.
• _ψam, _ψbm и _ψcm являются потоками постоянного магнита, соединяющими обмотки статора.

Индуктивность в обмотках статора является функциями ротора электрический угол, заданный:

L a a = L s + L m потому что ( 2 θ e ) ,

L b b = L s + L m потому что ( 2 ( θ e − 2 π / 3 ) ) ,

L c c = L s + L m потому что ( 2 ( θ e + 2 π / 3 ) ) ,

L a b = L b a = − M s − L m потому что ( 2 ( θ e + π / 6 ) ) ,

L b c = L c b = − M s − L m потому что ( 2 ( θ e + π / 6 − 2 π / 3 ) ) ,

L c a = L a c = − M s − L m потому что ( 2 ( θ e + π / 6 + 2 π / 3 ) ) ,

• _θr является углом механического устройства ротора.
• _θe является ротором электрический угол.
• _Ls является самоиндукцией статора на фазу. Это значение является средней самоиндукцией каждой из обмоток статора.
• _Lm является колебанием индуктивности статора. Это значение является амплитудой колебания самоиндукции и взаимной индуктивности с изменяющимся углом ротора.
• _Ms является статором взаимная индуктивность. Это значение является средней взаимной индуктивностью между обмотками статора.

Поток постоянного магнита, соединяющий извилистый a, является максимумом когда _θe = 0 ° и нуль когда _θe = 90 °. Поэтому соединенный моторный поток задан:

[ ψ a m ψ b m ψ c m ] = [ ψ m потому что θ e ψ m потому что ( θ e − 2 π / 3 ) ψ m потому что ( θ e + 2 π / 3 ) ] .

где _ψm является потокосцеплением постоянного магнита.

Упрощенные электрические уравнения

Применение преобразования Парка с блоком, электрические уравнения производят выражение для крутящего момента, который независим от угла ротора.

Преобразование парка задано:

P = 2 / 3 [ потому что θ e потому что ( θ e − 2 π / 3 ) потому что ( θ e + 2 π / 3 ) − sin θ e − sin ( θ e − 2 π / 3 ) − sin ( θ e + 2 π / 3 ) 0.5 0.5 0.5 ] .

где _θe является электрическим углом, заданным как _Nθr. N является количеством пар полюса.

Используя преобразование Парка на статоре извилистые напряжения и токи преобразовывают их к системе координат dq0, которая независима от угла ротора:

[ v d v q v 0 ] = P [ v a v b v c ]

[ i d i q i 0 ] = P [ i a i b i c ] .

Применение преобразования Парка к первым двум электрическим уравнениям производит следующие уравнения, которые задают поведение блока:

v d = R s i d + L d d i d d t − N ω i q L q ,

v q = R s i q + L q d i q d t + N ω ( i d L d + ψ m ) ,

v 0 = R s i 0 + L 0 d i 0 d t ,

T = 32 N ( i q ( i d L d + ψ m ) − i d i q L q ) ,

• _Ld = _Ls + _Ms + 3/2 _Lm. _Ld является статором d — индуктивность оси.
• _Lq = _Ls + _Ms − 3/2 _Lm. _Lq является статором q — индуктивность оси.
• _L0 = _Ls – 2_Ms. _L0 является индуктивностью нулевой последовательности статора.
• ω является скоростью вращательного механического устройства ротора.
• N является количеством пар полюса постоянного магнита ротора.
• T является крутящим моментом ротора. Крутящий момент течет из моторного случая (блокируйте физический порт C) к моторному ротору (блокируют физический порт R).

Использование блока PMSM исходная, неортогональная реализация Парка преобразовывает. При попытке применить альтернативную реализацию, вы получаете различные результаты для dq0 напряжения и токов.

Альтернативная параметризация потокосцепления

Можно параметризовать двигатель с помощью обратной эдс или закрутить константы, которые чаще всего даются на моторных таблицах данных при помощи опции Permanent magnet flux linkage.

Постоянная обратная эдс задана как пиковое напряжение, вызванное постоянным магнитом в каждой из фаз на модульную скорость вращения. Это связано с пиковым потокосцеплением постоянного магнита:

Из этого определения, из этого следует, что обратной эдс _eph для одной фазы дают:

Постоянный крутящий момент задан как пиковый крутящий момент, вызванный каждой из фаз на текущий модуль. Это численно идентично в значении обратной эдс, постоянной, когда оба выражаются в единицах СИ:

Когда _Ld =_Lq, и когда токи во всех трех фазах сбалансированы, из этого следует, что объединенным крутящим моментом T дают:

T = 32 k t i q = 32 k t I p k ,

где _Ipk является максимальным током в любой из этих трех обмоток.

Фактор 3/2 следует из этого являющегося установившейся суммой крутящих моментов от всех фаз. Поэтому крутящий момент постоянный _kt мог также быть задан как:

k t = 23 ( T I p k ) ,

где T является измеренным общим крутящим моментом при тестировании со сбалансированным трехфазным током с пиковым линейным напряжением _Ipk. Запись в терминах линейного напряжения RMS:

k t = 23 ( T i l i n e , r m s ) .

Переменные

Используйте настройки Variables, чтобы задать приоритет и начальные целевые значения для переменных в блоках перед симуляцией. Для получения дополнительной информации смотрите Приоритет Набора и Начальную Цель для Переменных в блоках (Simscape).

Порты

Сохранение

~ — Трехфазный порт
электрический

n — Нейтральная фаза
электрический

Электрический порт сохранения сопоставлен с нейтральной фазой.

R — Моторный ротор
механическое устройство

Порт сохранения вращательного механического устройства сопоставлен с моторным ротором.

C — Моторный случай
механическое устройство

Порт сохранения вращательного механического устройства сопоставлен с моторным случаем.

Параметры

Основной

Winding type — Настройка обмоток
Wye-wound (значение по умолчанию) | Delta-wound

Выберите настройку для обмоток:

• Wye-wound — Обмотками является wye — рана.
• Delta-wound — Обмотки являются раной дельты. a — фаза соединяется между портами a и b, b — фазой между портами b и c и c — фаза между портами c и a.

Number of pole pairs — Количество пар полюса
6 (значение по умолчанию)

Количество постоянного магнита подпирает пары шестами на роторе.

Permanent magnet flux linkage parameterization — Параметризация потокосцепления постоянного магнита
Specify flux linkage (значение по умолчанию) | Specify torque constant | Specify back EMF constant

Выберите Specify flux linkage , Specify torque constant , или Specify back EMF constant .

Permanent magnet flux linkage — Потокосцепление постоянного магнита
0.03 Wb (значение по умолчанию)

Пиковое потокосцепление постоянного магнита с любой из обмоток статора.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Permanent magnet flux linkage на Specify flux linkage .

Torque constant — Постоянный крутящий момент
0.18 N*m/A (значение по умолчанию)

Крутящий момент, постоянный с любой из обмоток статора.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Permanent magnet flux linkage на Specify torque constant .

Back EMF constant — Постоянная Обратная эдс
0.18 V*s/rad (значение по умолчанию)

Обратная эдс, постоянная с любой из обмоток статора.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Permanent magnet flux linkage на Specify back EMF constant .

Stator parameterization — Параметризация статора
Specify Ld, Lq, and L0 (значение по умолчанию) | Specify Ls, Lm, and Ms

Выберите Specify Ld, Lq, and L0 или Specify Ls, Lm, and Ms .

Stator d-axis inductance, Ld — Индуктивность d-оси статора
0.00022 H (значение по умолчанию)

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Stator parameterization на Specify Ld, Lq, and L0 .

Stator q-axis inductance, Lq — Индуктивность q-оси статора
0.00022 H (значение по умолчанию)

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Stator parameterization на Specify Ld, Lq, and L0 .

Stator zero-sequence inductance, L0 — Индуктивность нулевой последовательности статора
0.00016 H (значение по умолчанию)

Индуктивность нулевой последовательности.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Stator parameterization на Specify Ld, Lq, and L0 .

Stator self-inductance per phase, Ls — Самоиндукция статора на фазу
0.0002 H (значение по умолчанию)

Средняя самоиндукция каждой из трех обмоток статора.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Stator parameterization на Specify Ls, Lm, and Ms .

Stator inductance fluctuation, Lm — Колебание индуктивности статора
0 H (значение по умолчанию)

Амплитуда колебания самоиндукции и взаимной индуктивности обмоток статора с углом ротора.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Stator parameterization на Specify Ls, Lm, and Ms .

Stator mutual inductance, Ms — Статор взаимная индуктивность
0.00002 H (значение по умолчанию)

Средняя взаимная индуктивность между обмотками статора.

Зависимости

Этот параметр отображается только, когда вы устанавливаете параметр Stator parameterization на Specify Ls, Lm, and Ms .

Stator resistance per phase, Rs — Сопротивление статора на фазу
0.013 Ohm (значение по умолчанию)

Сопротивление каждой из обмоток статора.

Zero sequence — Нулевая опция последовательности
Include (значение по умолчанию) | Exclude

Опция, чтобы включать или исключить условия нулевой последовательности.

• Include — Включайте условия нулевой последовательности. Чтобы приоритизировать точность модели, используйте эту настройку по умолчанию. Используя эту опцию:

• Результаты по ошибке для симуляций, которые используют решатель Разделения. Для получения дополнительной информации смотрите, что Скорость симуляции Увеличения Использует Решатель Разделения (Simscape).
• Отсоединяет параметр нулевой последовательности в настройках Impedances.

Rotor angle definition — Контрольная точка для углового измерения ротора
Angle between the a-phase magnetic axis and the d-axis (значение по умолчанию) | Angle between the a-phase magnetic axis and the q-axis

Контрольная точка для углового измерения ротора. Значением по умолчанию является Angle between the a-phase magnetic axis and the d-axis . Это определение показывают в Моторной фигуре Конструкции. Когда вы выбираете это значение, ротор и a — потоки фазы выравниваются, когда угол ротора является нулем.

Другим значением, которое можно выбрать для этого параметра, является Angle between the a-phase magnetic axis and the q-axis . Когда вы выбираете это значение, a — текущая фаза генерирует максимальный крутящий момент, когда угол ротора является нулем.

Механическое устройство

Rotor inertia — Инерция ротора
0.01 kg*m^2 (значение по умолчанию)

Инерция ротора присоединяется к механическому поступательному порту R. Значение может быть нулем.

Rotor damping — Затухание ротора
0 N*m/(rad/s) (значение по умолчанию)

Примеры модели

Электроэнергия помогла регулированию

Используйте Постоянный магнит синхронный двигатель (PMSM), чтобы усилить приложенную силу драйвера в автомобильной руководящей системе с усилителем.

Трехфазный диск PMSM

Постоянный магнит синхронная машина (PMSM) и инвертор измерены для использования в типичном гибридном автомобиле. Здесь инвертор соединяется непосредственно с батареей транспортного средства, но часто существует также промежуточный этап конвертера DC-DC. Модель может использоваться, чтобы спроектировать контроллер PMSM, выбирая архитектуру и усиления, чтобы достигнуть желаемой производительности. Чтобы проверять синхронизацию поворота IGBT — на и выключить, устройства IGBT могут быть непосредственно заменены более подробным блоком N-Channel IGBT. Для полного моделирования транспортного средства блок Servomotor может использоваться, чтобы абстрагировать PMSM, инвертор и контроллер с основанной на энергии моделью. Резистор Gmin обеспечивает очень маленькую проводимость, чтобы основываться, который улучшает числовые свойства модели при использовании решателя переменного шага.

Параметризуйте постоянный магнит синхронный двигатель

Оцените обратную эдс и закрутите константы постоянного магнита синхронного двигателя (PMSM) черного ящика с неизвестным потокосцеплением. Можно использовать или обратную эдс или закрутить постоянный, чтобы описать потокосцепление и параметризовать блок Simscape™ Electrical™ PMSM. Эта параметризация позволяет вам точно реплицировать поведение двигателя черного ящика в симуляцию.

Ссылки

[1] Kundur, P. Устойчивость энергосистемы и управление. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 1993.

[2] Андерсон, пополудни анализ неработающих энергосистем. Хобокен, NJ: нажатие Wiley-IEEE, 1995.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C++
Генерация кода C и C++ с помощью Simulink® Coder™.

Смотрите также

Блоки Simscape

Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе: управление (синус и/или трапеция)

В продолжение темы модельно ориетированного проектирования, публикую очередную статью Калачева Юрия Николаевича, автора книги Моделирование в электроприводе. Инструкция по пониманию. Данный текст еще готовится к публикации в специализированных изданиях, но читатели хабра увидят его первые.

В зарубежной литературе можно встретить два термина, связанных с этими двигателями:

С этими названиями и у нас, и за рубежом существует немалая путаница.

Например, термин PMSM (СДПМ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе, независимо от формы его ЭДС, но так же часто его применяют, подразумевая исключительно синусоидальную форму ЭДС двигателя.

Термин BLDC (БДПТ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе и трапецеидальной ЭДС, а может вообще обозначать не двигатель, а некий мехатронный узел, включающий в себя:

• двигатель с постоянными магнитами и трапецеидальной ЭДС
• датчик положения ротора
• управляемый по сигналам этого датчика полупроводниковый коммутатор.

Собственно этот мехатронный узел, который может, как и двигатель постоянного тока, управляться постоянным напряжением и породил сам термин BLDC (БДПТ).

Ещё по отношению к синхронным двигателям с постоянными магнитами на роторе в отечественной литературе, можно встретить название «вентильный двигатель».

Попытки автора разобраться с этим термином быстро зашли в тупик, так как в различных источниках обнаружились явные противоречия.

Например, в книге Г.Б. Онищенко «Электрические двигатели» на стр. 47 «вентильным» называется двигатель соответствующий термину BLDC (БДПТ), что предполагает трапецеидальную ЭДС, и это понимаемо.

Но двигатели типа 5ДВМ сам производитель (ЧЭАЗ) называет «вентильными», хотя при этом утверждает, что они имеют синусоидальную ЭДС.

А вот википедия: «Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре. ».

Ну, . приехали .

Какой термин, какой форме ЭДС соответствует – непонятно.

А между тем, именно эта форма определяет выбор структуры системы управления двигателем.

Как человек занимающийся управлением этими двигателями хочу предложить:

• во избежание путаницы забыть термин «вентильный двигатель»
• термином БДПТ обозначать не двигатель, а исключительно описанный выше мехатронный узел (аналог двигателя постоянного тока)
• делить синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе (СДПМ) по типу ЭДС на две группы: 1) с синусоидальной ЭДС (далее, для краткости, — СДПМс) 2) с трапецеидальной ЭДС (далее, для краткости, — СДПМт)

Управление

При управлении двигателями с синусоидальной ЭДС используется векторное регулирование (подробно описано в книжке по ссылке). С точки зрения возможностей и качества управления это наилучший вариант.

Однако и двигатели с трапецеидальной ЭДС в силу более простой конструкции статорных обмоток и возможности более простого управления применяются довольно часто.

Конструкция двигателей

Форма ЭДС определяется конструкцией двигателя.

Ротор синхронных двигателей представляет собой магнит с различным количеством пар полюсов.

На Рис 1. показаны возможные конструкции статорных обмоток. Обычно синусоидальной ЭДС соответствует «распределенная» намотка, а трапецеидальной «сосредоточенная».

Статорная обмотка двигателя с трапецеидальной ЭДС проще и технологичнее, за счёт этого цена такого двигателя несколько ниже.

Далее остановимся более подробно на двигателе с трапецеидальной ЭДС (СДПМт)

Двигатель с одной парой полюсов будет выглядеть в разрезе так, как показано на Рис.2.

На статоре СДПМт намотаны три обмотки (А, В, С), сдвинутые в пространстве на 120°. Каждая обмотка состоит из двух секций, включённых встречно. Таким образом, при протекании тока в обмотке она создаёт внутри двигателя два полюса (положительный и отрицательный), к которым и притягивается магнитный ротор. Поочередное изменение токов в обмотках переключает полюса обмоток и заставляет ротор двигаться вслед за полем. На этом и основан принцип работы двигателя.

В дальнейшем будем считать нулевым то угловое положение ротора при котором вектор потока ротора совпадает по направлению с осью фазы А (осью обмотки А).

Уравнения равновесия статорных обмоток СДПМт в системе АВС

Уравнения равновесия статорных обмоток двигателя при его включении в «звезду» в неподвижных фазных координатах АВС имеют вид (1).

• — фазные напряжения
• — потокосцепления фазных обмоток
• — токи фаз
• — активное сопротивление фазной обмотки.

Поток в обмотке каждой фазы формируется из следующих составляющих:

• поток, наводимый собственным током фазы
• поток, наводимый магнитными полями других фазных обмоток
• поток, наводимый в обмотке магнитами ротора.

Проиллюстрируем это системой (2):

• Где: — индуктивность фазных обмоток — взаимные индуктивности обмоток — потокосцепления, наводимые в обмотках магнитом ротора.

В общем случае все индуктивности системы (2) могут являться переменными функциями угла поворота поля .

В частном случае для неявнополюсного двигателя (при цилиндрическом роторе) индуктивности и взаимные индуктивности обмоток не зависят от угла.

Обозначив
— индуктивность фазной обмотки,

— взаимная индуктивность двух фазных обмоток,
и подставив выражения (2) в систему (1), получим выражение (3):

Заметив, что производные по времени от потокосцеплений магнитов ротора

— есть не что иное, как наводимая магнитами

ротора в этих обмотках ЭДС, систему (3) можно переписать в виде (4).

Теперь введем понятие единичной функции формы ЭДС.

Единичная функция формы ЭДС — это функция от угла поля (), имеющая единичную амплитуду и повторяющая по форме ЭДС. Для фаз А,В,С обозначим эти функции: .

Используя единичные функции формы, мгновенные ЭДС в фазах можно представить выражением (5):

• Где: — амплитуда потокосцепления ротора и фазной обмотки — скорость вращения поля — скорость вращения ротора — число пар полюсов двигателя.

Зависимости единичных функций формы ЭДС обмоток СДПМт от угла поворота поля представлены На Рис.3.

Вывод формулы для расчета электромагнитного момента СДПМт

Момент, создаваемый двигателем, является суммой моментов, создаваемых его обмотками.

Посмотрим на уравнение равновесия обмотки А из системы (4).

Умножив обе его части на ток обмотки, получим уравнение для мгновенной электрической мощности обмотки:

Рассмотрим составляющие этой мощности:

• — реактивная мощность обмотки
• — активная мощность, рассеивающаясяв обмотке
• — мощность, создающая электромагнитный момент.

Если пренебречь потерями при переходе электрической мощности в механическую, то можно записать:

• Где: — электромагнитный момент двигателя — угловая скорость вращения ротора.

Подставив в формулу (6) значения ЭДС из соотношений (5), получим формулу вычисления электромагнитного момента ротора (7).

Коммутация обмоток СДПМт

В соответствии с формулой (7) момент СДПМт пропорционален сумме произведений фазных токов на функции формы соответствующих ЭДС.

Максимальное значение ЭДС обмотки соответствует плоским участкам трапеции ЭДС. Если бы нам удалось на этих участках угловой траектории сформировать в обмотках токи некоторой постоянной амплитуды, например, совпадающие по знаку со знаком ЭДС, то это позволило бы сформировать при этих токах максимальный постоянный положительный момент.

Для примера рассмотрим на Рис.3 участок угловой траектории от π/6 до π/2. На этом участке ЭДС в фазе А имеет максимально отрицательное значение, а в фазе В максимально положительное. Следовательно, для получения положительного момента на этом участке угловой траектории надо обеспечить в фазе А отрицательное, а в фазе В положительное значение тока. Для этого фазу А можно подключить на отрицательный, а фазу В на положительный полюса внешнего источника постоянного напряжения (U_dc). При этом фаза С не используется (отключена от источника U_dc).

Величина тока, протекающего через обмотки, будет в свою очередь определяться прикладываемым к обмоткам напряжением, величиной ЭДС и параметрами обмоток.

Если рассуждать таким образом, то можно составить таблицу коммутаций обмоток, обеспечивающих в зависимости от положения ротора момент нужного знака (Табл. 1).

Обмотки трёхфазного двигателя можно коммутировать на внешний источник напряжения с помощью трехфазного мостового инвертора. Для этого состояние инвертора надо поставить в зависимость от положения ротора. Обычно это делается с помощью датчика положения ротора (ДПР). Этот датчик имеет три канала. Каждый канал выдает за один оборот двигателя импульс, соответствующий половине периода вращения, при этом импульсы в каналах сдвинуты на 120°.

Логическая обработка сигналов ДПР позволяет определить — в каком из шести секторов в данный момент находится ротор.

Работа ДПР поясняется Табл. 2.

Возможная структура системы управления моментом СДПМт

Алгоритм, описанный в Табл.1, предполагает протекание одного и того же тока в двух фазах двигателя при единичном значении функции формы ЭДС в обмотках фаз. Поэтому выражение (7) можно переписать в виде (8).

Где: — значение тока в фазах.

То есть значение момента пропорционально величине тока в обмотках двигателя.

Вытекающая из формулы (8) структура системы управления моментом в приводе с СДПМт изображена на Рис.4.

Данная структура позволяет получить нужный момент, формируя в обмотках двигателя ток необходимой амплитуды, при сохранении алгоритма коммутации (Табл.1).

Эта задача решается с помощью создания на базе трёхфазного мостового инвертора контура тока с ШИМ.

Регулятор тока (ПИ-рег.) формирует сигнал задания напряжения обмоток (U), которое затем реализуется инвертором с ШИМ в соответствии с алгоритмом коммутации (Табл.1).

В качестве сигнала обратной связи в контуре можно использовать трёхфазно-выпрямленные сигналы датчиков тока фаз или сигнал датчика тока в звене постоянного тока инвертора ().

На основе рассмотренного канала управления моментом можно строить внешние контуры управления скоростью и положением.

Однако

Если бы токи в обмотках спадали до нуля и нарастали до нужного уровня мгновенно, то момент двигателя, определяемый их величиной, в установившемся режиме был бы постоянным. В действительности же реальные переходные процессы при коммутации обмоток приводят к пульсациям момента. В зависимости от параметров обмоток, а также соотношения величин текущей ЭДС и напряжения звена постоянного тока эти пульсации могут быть различны по длительности, амплитуде и знаку.

Кроме этих коммутационных пульсаций в рассматриваемой системе также будут иметь место пульсации момента на частоте ШИМ.

Ниже приведен пример работы модели системы регулирования скорости. Данная модель построена в среде SimInTech на элементах специализированного тулбокса «Электропривод». Среда позволяет получить максимальное приближение моделируемых процессов к реальности с учетом эффектов временной и уровневой дискретизации.

Часть модели, а именно — модель цифровой системы управления скоростью приведена ниже, на Рис.5. Регулятор скорости системы (Рег.W) выдает сигнал момента, который отрабатывается структурой, построенной в соответствии с Рис.4.

Для управления был выбран двигатель со следующими параметрами:

• Rs = 2.875 Ом — сопротивление обмотки фазы; Ls = 8.5e-3 Гн – индуктивность фазы; F = 0.175 Вб – потокосцепление ротора; Zp = 4 — число пар полюсов; Jr = 0.06 кг·м 2 — момент инерции ротора.

Напряжение в звене постоянного тока привода было принято равным 100В.

В контуре тока электропривода использовалась ШИМ с частотой 5кГц.

В процессе регулирования происходило ступенчатое увеличение частоты при постоянном моменте сопротивления на валу двигателя (10 Нм).

Графики, полученные в процессе работы модели, приведены на Рис.6.

На графике момента видны существенные пульсации.

Отметим, что в основном они связаны именно с переходными процессами при коммутации обмоток и имеют соответственно частоту, ушестеренную по отношению к заданной.

Пульсации, связанные с ШИМ, в данном случае, невелики.

Заметим, что коммутационные пульсации существенно возрастают при увеличении момента, что связано с увеличением тока.

Несколько спасает то, что их влияние на скорость снижает инерция.

А можно ли векторно управлять СДПМт?

Если очень хочется — то можно.
Однако и здесь не без особенностей.
Математика и структура стандартной векторной системы управления исходит из синусоидальности поля в зазоре. При трапецеидальной ЭДС это условие нарушается, правда не очень сильно (трапеция это же почти синус).

А результатом этого «почти» будут, опять же, пульсации момента.

Вид модели цифровой системы векторного управления скоростью в среде SimInTech показан на Рис.7.

Ниже на Рис.8 показан график работы модели уже рассмотренного ранее СДПМт работающего в рассмотренном ранее режиме, но под управлением векторной системы.

В графике момента мы опять наблюдаем пульсации (хотя по сравнению с предыдущим вариантом они несколько уменьшились).

Причины пульсации при векторном управлении и управлении по ДПР различны, но частота все та же – ушестеренная по отношению к заданной.

Заметим, что вследствие несинусоидальности ЭДС токи в обмотках двигателя так же будут принципиально несинусоидальными (это так, хотя в масштабе рисунка и не слишком заметно).

А можно ли с помощью коммутации обмоток по ДПР управлять двигателем с синусоидальной ЭДС?

С точки зрения автора можно – но не нужно.

Наряду с коммутационными пульсациями момента синусоидальность ЭДС (отсутствие плоской вершины трапеции) в данном случае неминуемо вызовет еще и дополнительные пульсации, снижающие качество регулирования даже по сравнению с управляемым по ДПР двигателем СДПМт.

А при векторном управлении двигателем с синусоидальной ЭДС пульсаций момента не будет.

Для подтверждения этого тезиса ниже (Рис.9) приведены графики работы модели двигателя с уже рассмотренными ранее параметрами, но с синусоидальной ЭДС и векторной системой управления скоростью.

Видно, что пульсации момента в этом случае практически отсутствуют. При правильной настройке регуляторов системы они связаны только с ШИМ-преобразованием и для данного случая почти не видны.

Итоги

Для синхронников с трапецеидальной ЭДС — коммутация по ДПР.

Так же возможно использование и более сложного векторного алгоритма регулирования, что может дать снижение уровня пульсации момента.

Для синхронников с синусоидальной ЭДС лучший вариант это векторное регулирование.

Это сочетание идеально для построения точного электропривода (что собственно и так было понятно).

Калачёв Ю.Н.

Модели для самостоятельного изучения можно взять здесь.

Предыдущие статьи по теме:

Список литературы

[1] А. С. Пушкин «Полтава».