第五章永磁同步电机直接转矩控制及控制性能研究
矢量控制和直接转矩控制是交流电机的两种高性能控制策略,在永磁同步电机驱动控制中的应用与研究己受到众多学者的广泛关注。为了能够更好研究永磁同步电机的控制性能,提高永磁同步电机调速系统的动静态性能,本章针对永磁同步电机直接转矩控制系统,从空间电压矢量出发,在第四章建立永磁同步电机不同的坐标系下的数学模型的基础上,研究永磁同步电机直接转矩控制和空间电压矢量调制直接转矩控制的理论和实现方法,并进行仿真实验研究,分析控制策略的正确性
[24][30]
。
本文研究的转鼓实验台的恒转矩控制方式和惯量模拟控制方式,均采用空间电压矢量调制直接转矩控制策略对交流测功机(即永磁同步电机进行模拟加载。
5.1 永磁同步电机直接转矩控制基本理论
5.1.1 永磁同步电机在x 、y 坐标系下的数学模型
将永磁同步电机在同步旋转坐标系中磁链、电流和电压矢量关系表示在图5-1(即图4-1中所示,图中定义δ为转矩角,即定子磁链和转子磁链之间的夹角。d 、q 为与转子磁场速度
r ω同步旋转的坐标系,d 轴指向转子永磁磁链f ψ方向;x 、y 为与定子磁场速度e ω同步旋
转的坐标系,x 轴指向定子磁链s ψ方向。假设x 轴超前d 轴时转矩角为正,在忽略定子电阻的情况下,转矩角即为功角。当电机稳态运行时,定、转子磁链都以同步转速旋转。因此,在恒定负载的情况下转矩角为恒定值。当电机瞬态运行时,转矩角则因定、转子旋转速度不同而不断变化[31][32]。
A
图5-1 永磁同步电机坐标系
由图5-1可推导出转矩角的表达式为(
tan
/(tan
1
1
f
d d q q sd
sq
i L i L ψ
ψ
ψ
δ+==--
(5-1
式中: sd ψ
、sq
ψ
:定子磁链在d 、q 坐标系下的分量(Wb ;
f
ψ
:转子永磁磁链(Wb ;
i d 、i q :定子电流 i s 在d 、q 坐标系下的分量(A ; L q :定子电感s L 的d 轴分量,即交轴电感(H ; L d :定子电感s L 的q 轴分量,即直轴电感(H 。
将d 、q 坐标系中物理量转换到x 、y 坐标系,可以得到
???
???????
??-=??????q d y x F F F F δδ
δδcos sin sin cos
(5-2
反变换为
???
???????
??-=??????y x q d F F F F δδ
δδcos sin sin cos
(5-3
式中:F :可以代表电压、电流、磁链; 1.x 、y 参考坐标系下的转矩表达式[33][34]
由图5-1可知
s
sq ψψδ=
sin
(5-4
s
sd ψ
ψδ=
cos
(5-5
式中:s
ψ
:定子磁链幅值。
又由第四章的电磁转矩T e 的矢量形式表达式
s
s p e i n T ?=
ψ2
3
式中:i s :定子电流(A ;
s ψ:定子磁链(Wb 。
综合式(5-2、(5-4、(5-5,将(5-2代入电磁转矩T e 的矢量表达式可以得到x 、y 轴系的转矩表达式
]
sin cos (cos sin ([23δδψ
δδψ
y x sq
y x sd p e i i i i n T --+=
][2
322s
sq y
s
sq
sd x
s
sd y
s
sq
sd x
p i i i i n ψ
ψ
ψ
ψψψ
ψ
ψ
ψψ+-+=
y
s p i n ψ2
3=
(5-6
式中:i x 、i y :定子电流i s 在x 、y 坐标系下的分量(A ;
n p :电机极对数。
式(5-6表明:如果定子磁链幅值恒定,那么转矩正比于定子电流的y 轴分量。
2.x 、y 坐标系下的磁链表达式
将式(5-3的磁链变换式和电流变换式代入磁链方程的矩阵形式,即第四章的式(4-30
??
????+??
??????????=??????0100f
sq sd q d sq
sd i i L L ψψ
ψ
可得
??
????+????????????-?????
?=??????????
??-0
cos sin sin cos 00cos sin sin cos f
y x q d
y x i i L L ψ
δδ
δδψψδδ
δδ (5-7
式中:x ψ,y ψ:定子磁链在x 、y 坐标系下的分量(Wb 。经变换得??
????-+??
?
?????????-?
?????-=??????δδψδδ
δδ
δδ
δδψψsin cos cos sin sin cos cos sin sin cos f
y x q d q d y x i i L L L L (5-8
即
??
????-+??
?
???????
?
????++-+-+=??????δδψδδδ
δδδδδδδδδψψsin cos cos sin cos sin cos sin cos sin cos sin sin cos 2 22
2f
y x q d q d q d q d y x i i L L L L L L L L
(5-9
3.x 、y 坐标系下的定子电流表达式[36][103]
由于定子磁链定向于x 轴,有0=y
ψ,s
x
ψ
ψ
=,求解式(5-9可得x 、y 坐标系下的
定子电流表达式为
δ
δδψ
2sin (]
2cos ([(sin 2q d q d q d f
x L L L L L L i --++-=
(5-10
]
2sin (sin 2[21δψδψq d s q f q
d y L L L L L i --=
(5-11
将式(5-10、式(5-11代入式(5-6得到d 、q 坐标上的转矩表达式为
]
2sin (sin 2[43δψδψψd q s q f s q
d p
e L L L L L n T --=
(5-12
由电机的转矩表达式可知,电机的转矩可分为两部分,前一部分为电机的电磁转矩,它由电枢交轴电枢反应产生,后一部分为电机凸极结构产生的磁阻转矩。对于本文中采用的隐
极式永磁同步电机来讲,L d = L q = L s ,转矩中的磁阻分量为零,转矩表达式为
sin(23sin 230&
δωψ
ψδψ
ψ+=
=
t L n L n T f
s s
p f
s s
p e
(5-13
式中:&ω:定子磁链相对于转子磁链旋转角速度(rad/s ;
0δ:转矩角变化前一时刻的初值(rad 。
从式(5-13可知,当定子磁链保持幅值恒定时,转矩角从-90o变化到90o时,电机转矩随着转矩角增大而增大,且转矩角为90o时,转矩达到最大。
对式(5-13的两边求导,电机转矩在t = 0时刻的增长率为
&
cos 23δω
ψψf s s
p t e L n dt
dT =
=
(5-14
当转矩角在-90o~90o (电机稳定运行工作区,此时电动状态工作段为0o~90o范围内变化时,式(5-14右边总为正,表明转矩随着转矩角增加而增加[28][29]。
5.1.2 永磁同步电机直接转矩控制系统
直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的具有高性能的交流变频调速技术,它摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想,去掉了PWM 脉宽调制器和电流反馈环节,通过检测母线电压和定子电流,直接计算出电机的磁链和转矩,并利用两个滞环比较器,直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制[29][37][38]。永磁同步电机直接转矩控制系统如图5-2所示。
图5-2 永磁同步电机直接转矩控制系统
工作原理及控制过程如下:
(1由传感器检测逆变器的直流母线电压和电机的两相电流,经坐标变换和系统控制规律,计算出电机反电势,对其积分以实现对定子磁链的估计;
(2根据估计的磁链和实测电流来计算电机的瞬时转矩;
(3根据d、q轴定子磁链来判别其位置所在的扇区
θ;
i
(4电机的转速可通过光电编码器获得,也可通过定子磁链的旋转速度估计得到,实现无速度传感器运行;
(5若电机要求在给定转矩下运行,转矩给定值*
T与实时计算出来的瞬时转矩T相比较后,经滞环比较器产生转矩控制状态量τ;
(6若电机要求在时变转矩(即实验台的惯量模拟方式下运行,电机实际转速与由车速换算得到的给定速度比较后,经PI调节器输出电机转矩给定。转矩给定与实时计算出来的瞬时转矩相比较后,经滞环比较器产生转矩控制状态量τ;
(7定子磁链给定值与实际值比较后得到的偏差经滞环比较器产生磁链控制状
态量φ;
(8通过三个控制信号τ、φ、
θ从开关表中综合选取电压矢量, 输出逆变器驱动控
i
制信号。
1.空间电压矢量[22][27]
在直接转矩控制中,电机的定子磁链是通过控制电机的端电压来加以控制的。图5-3是电压型逆变器供电的永磁同步电机直接转矩控制系统的主电路,由于逆变
器的开关是由自关断器件构成的,而且每相桥臂的开关器件是互锁的,因而六个开关器件的工作状态并不完全独立,实际上只有三个独立变量。这样逆变器可以用三个
单刀双投开关S A、S B和S C表示。当S A=1时,表示逆变器的A桥臂的上开关闭合,下面开关断开;当S A=0时,则情况相反。这样根据S A,S B和S C为0或为1,可以组合出8个状态U s(S A,S B,S C,这8种状态可以分成两类,一类是6种所谓的工作状态(六个非零矢量,又称运动矢量,它们的特点是三相负载并不都接到相同的电位上去;另一类是零开关状态即两个零矢量(000、(111,它们的特点是三相负载都被接到相同的电位上,所得的负载电压为零。如表5-1和图5-4所示。
d
图5-3 电压型逆变器图5-4 空间电压矢量
表5-1 逆变器的8种开关组合状态
状态0 1 2 3 4 5 6 7
S A0 1 0 1 0 1 0 1
S B0 0 1 1 0 0 1 1
S C
0 0 0 0 1 1 1 1
六个非零矢量的幅值均为32U d (U d 是直流母线电压,依次相隔60度。对应不同导通方式,电机输入电压综合矢量(依据磁势不变原则可表示为式(5-15如果是正交变换系数则为32。
]
[3
2,,(3
43
2ππj
C j B A d C B A s e
S e
S S U S S S U ++=
(5-15
2.空间电压矢量对定子磁链的控制
[22][35]
永磁同步电机在静止坐标系下的u ?i 磁链模型为
dt
i R U
s s s
s
?-≈
(ψ
(5-16
在中、高速时,若略去定子绕组的电阻和漏感,公式(5-16可以转化为如下形式
s s
s
dt U
ψ
ψ
+≈
?
(5-17
公式(5-17中0
s ψ
表示定子磁链的初始值。通过该式得知:定子磁链综合矢量s ψ将
沿着电压综合矢量U s 的方向,以正比于输入电压的速度移动。通过逐步合理地选择电压矢量,可以使定子磁链矢量s ψ的运动轨迹纳入一定的范围,沿着预定的轨迹移动。图5-5所示是定子磁链矢量随着选择电压矢量的不同而运动的轨迹。通过选择合适的电压矢量,可使得磁链幅值在给定值*s
ψ
和允许的偏差s
ψ
?±的范围内变化,使其平均值基本保持不变。而其旋
转转速则通过改变有效电压矢量和零矢量的作用时间比例加以调整。
在磁链旋转过程中,在每一个阶段施加什么电压矢量,不但要依据磁链偏差的大小,而且还要考虑磁链矢量的方向。由于逆变器的输出电压矢量依次各相差60o,为了便于选取,把空间分成6个区域(见图5-4,每个区域所包括的范围是
6
12((6
32(π
θπ
-≤≤-m m m
(5-18
对应不同的工作区域,应选择不同的工作电压矢量。例如当s ψ处于区域Ⅰ时,为了控制s ψ沿顺时针方向旋转,应当选择U 5(001和U 6(101。当磁链幅值达到上限s
s
ψ
ψ?+*时选择U 5(001,当磁链幅值达到下限s
s
ψ
ψ
?-*时选择U 6(101。反之,当需要磁链作
逆时针运动时,对应区域Ⅰ时应当选取U 3(010和U 2(110。而零矢量在一个控制周期内,不会对磁链产生影响,磁链将不发生移动。
在实际控制中,可根据磁链所在的区域和磁链的旋转方向列出保持磁链基本恒定的开关表,再根据实际运行条件随时选用。
1
62
2
图5-5 定子磁链的轨迹
3.空间电压矢量对转矩控制
在磁链保持基本不变的情况下,式(5-13和式(5-14表明电机的转矩和转矩增长率都可以通过控制定、转子磁链之间的转矩角来实现。那末如何迅速地控制转矩角成为同步电机直接转矩控制的关键[23]。忽略定子电阻压降的影响且一个磁链的变化量远小于磁链幅值的情况下,可推导出一个控制周期内转矩角的变化表达式如下
t
t U r s
?±??=?ωψ
δ/1
(5-19 δ
?∝?
T
(5-20
式(5-19表示转矩角的变化量由两项组成,即电压矢量使定子磁链空间位置变化量和转子旋转造成转子磁链位置变化量。由于转子机械时间常数大,在一个控制周期ΔT 时间内,可认为转子位置没有改变,即0≈?T r ω。因此,可以认为,电压矢量可以线性地改变电机的转矩角,从而改变电机的转矩。例如在第一扇区时,空间电压矢量U 2,U 3增加转矩,空间电压矢量U 5,U 6减少转矩,如果加零矢量,如前所说,磁链幅值不变,另在一个控制周期内,0=s U ,0≈?δ,所以转矩不发生改变。 4.转矩和磁链控制
直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现。滞环比较器的运行原理为:当前值与给定值的误差在滞环比较器的容差范围内时,比较器的输出保持
不变,一旦超过这个范围,滞环比较器便给出相应的值,转矩滞环和磁链滞环的控制原理[26]如图5-6所示。
(a 转矩滞环 (b 磁链滞环
图5-6 转矩和磁链滞环比较器
对于转矩滞环比较器来说,*e T 为给定转矩,e T 为当前实际电磁转矩,e e e T T T -=?*。转矩滞环有三个临界值,分别是e T ?、e T ?-、0,在临界值时,滞环输出信号变化规律如图5-6(a 所示。在滞环比较器控制下,稳态时转矩的变化示意图如图5-7所示。
磁链滞环比较器的控制原理与转矩滞环比较器类似,其有两个临界值,在临界值时,滞环比较器的输出信号如图5-6(b 所示。直接转矩控制中磁链滞环比较器的作用是保持磁链幅值基本不变,在稳态下磁链幅值的波动应和转矩脉动相类似。在转矩滞环比较器和磁链滞环比较器的共同作用下,定子磁链的运动轨迹应如图5-8所示。
d
图5-7 转矩脉动示意图 5-8 永磁同步电机定子磁链的轨迹
永磁同步电机与异步电机性能比较 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素 异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P2/P n）<50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济区内运行，即负载率在75%-100%之间。 (a) η--( P2/P n) (b) ? cos--( P2/P n) 图1 永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 1. 异步起动永磁同步电动机 2.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率
4%~50%。由于在水磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%. 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升 由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的沮度升高，影响了电机的使用寿命。 由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。 4.对电网运行的影响 因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及枪变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、翰变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足翰出功率的耍求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电两能量的损失，加重了电网负荷。 在永磁电机转子中无感应电流励班，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数，使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。
永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究 摘要 永磁同步电机是数控机床、机器人控制等的主要执行元件，随着稀土永磁材料、永磁电机设计制造技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和进步，永磁同步电机控制技术成为了交流电机控制技术的一个新的发展方向。基于它的优越性，永磁同步电机获得了广泛的研究和应用。本文对永磁同步电机的弱磁控制策略进行了综述，并着重对电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制、采用改进的超前角控制弱磁增速、内置式永磁同步电动机弱磁控制方面进行了调查、研究。 关键词：永磁同步电机、弱磁控制、电压极限椭圆梯度下降法、超前角控制、内置式永磁同步电动机 一、永磁同步电机弱磁控制研究现状 1．永磁同步电机及其控制技术的发展 任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，交流电机的转矩控制性能不佳。经过长期的研究，目前交流电机的控制方案有：矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制等[1]。 1．1 矢量控制 1971年德国西门子公司F．Blaschke等与美国P．C．Custman等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理，经过不断的研究与实践，形成了现在获得广泛应用的矢量控制系统。矢量控制系统是通过坐标变换，把交流电机在按照磁链定向的旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机的调速性能达到或超过直流电机的性能。 1．2 恒压频比控制 恒压频比控制是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出进行控制，使电机以一定的转速运转。但是它依据电机的稳态模型，从而得不到理想的动态控制性能。要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型，永磁同步电机的动态数学模型是非线性、多变量，它含有角速度与电流或的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来，研究了各种非线性控制器，来解决永磁同步电机非线性的特性。 1．3 直接转矩控制 矢量控制方案是一种很有效的交流伺服电机控制方案，但是由于该方案需要进行矢量旋转变换，坐标变换比较复杂。此外，由于电机的机械常数慢于电磁常数，矢量控制中转矩响应的速度不够迅速。针对矢量控制的上述缺点，德国学者
极槽配合对永磁同步电机性能的影响 摘要：永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠等特点，在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。 关键词：极槽配合；齿槽转矩；永磁同步电机；径向力 Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related theory.Finally, we conclude that the cogging torque and radial electric force and so on related factors should be considered into the motor design when selecting reasonable pole-slot combination. Key words: pole-slot combination; cogging torque;PMSM; radial force 1引言 永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠，且其
第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
永磁同步电机控制方法以及常见问题永磁同步电机控制方法以及常见问题。永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 1.掌握永磁同步电机的成熟控制方法和开发内容后如何转型 (1)仿真：连续simulink+线性电机模型仿真，离散模型+线性电机+线性电机模型，q 格式离散模型+线性电机模型，simplorer+ansoft+无位置开环和闭环q格式仿真，模拟实际电机的线性电机模型建立，matlabgui+simulink仿真。都是无位置开环切闭环模式，各种仿真变着花样玩，ekf，hfi，pll，atan，磁连观测，扩展反电视等各种无位置仿真。仿真和实际跑板子其实只要电流采样底层做得好，过调制出得来都可以和仿真对的上。 (2)电机参数识别，通过变频器激励与响应实现，其余的表示不靠谱，可以在电机启动前10s内辨识出来。没啥用。 (3) 控制性能优化，6次谐波自适应陷波滤波，sogi等手段。 (4) 压缩机驱动自动力矩补偿。
(5) svpwm简单快速实现与单电阻采样结合研究。 (6) 各种各样电机调试与性能测试，我调试的电机型号应该有上千款了，仅限于 10w-20kw永磁同步电机，都快调试吐了，测试电机单体性能，带变频器运行极限测试 2.永磁同步电机初始角设置的问题 电机控制的调试里除却方波驱动，基本都会有一个类似于超前角的变量，该变量非常重要，直接影响速度，效率和抖动性。改变该角可以降低输出转矩，但可能会带来其他问题。 旋转转子使d轴指向A+与A-的中心线，就找到了初始角！但是对模型的初始角修改一下之后，在同样Thet角下，转矩下降好多！现在问题是在在修改初始角之后输出转矩能够稳定吗？这个输出转矩应该是与负载大小有关! 修改后的初始角与原来A相反电势为0对应的初始角，他们对应的输出转矩一定会变化的，且修改后的初始角中设定的功率角不是真正的模型功率角；至于设定负载我还没尝试过，不过我觉得你说的应该是对的。 其实我刚开始主要是对修改初始角后模型输出转矩稳定性有疑问，按照你的说法现在转矩应该是稳定的！那么对于一个永磁同步电机模型，峰值转矩可以达到，但是要求的额定转矩却过大，当修改模型之后达到要求的额定转矩时，峰值转矩却达不到，敢问你觉得应该从方面修改模型？？或是我修改模型的思路有问题 3.永磁同步电机控制的建模问题讨论，如模型仿真慢、联合仿真问题、PI控制问题等 两种控制方式不一样的所有输出量不一样。 永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 无刷电机是电压源控制模式，而且计算出来都是开环的。性能由空载转速，电阻，电感
永磁同步电动机的分类和特点 一，永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 二，永磁同步电动机的分类 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法
上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 三无刷直流电动机（BLDCM） 1，BLDCM研究现状 永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比, 是用电子换向取代 原直流电动机的机械换向, 并将原有刷直流电动机的定转子颠倒（转子采用永磁体）从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波, 而且控制较简单, 但在低速运行时性能较差, 主要是受转矩脉动的影响。 引起转矩脉动的因素很多, 主要有以下原因： （1）电枢反应引起的转矩脉动 减弱或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙, 设计 磁路时使电机在空载时达到足够饱和, 以及电机选择瓦形或环形永磁 体径向励磁结构等。 （2）电流换相引起的转矩脉动
永磁同步/异步电机的性能，你知道多少？ 时间：2017-03-18 06:25:32 来源：空压机网性质：转载作者：空压机网【推荐给朋友】 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显著，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素
异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P2/Pn）<50%时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济区内运行，即负载率在75%-100%之间。
图为永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 a. 异步起动永磁同步电动机 b.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%~50%。由于在水磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载 率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%。 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升
永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与 实现
电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2]。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3]，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统，外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4]。 1. PMSM 控制系统总模型 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30//ωψψωωω& && (1) 将0=d i 带入上式，有 ???? ??????-+??????????? ??? ??--=????? ?????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω& && (2) 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m )
在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何
1．课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。 二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。 尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用 - 1 -
基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言 永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。 高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。 永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步
电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。
图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型 首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。 为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。 这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：
基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真 随着电动机在社会生产中的广泛应用，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park 变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信
永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特
基于FPGA的永磁同步电动机矢量控制IP核的研究 赵品志 摘要 论文首先分析了永磁同步电动机的数学模型及矢量控制的原理。研究了使用现代EDA工程设计方法，在FPGA上实现单芯片交流伺服控制系统的结构和具体实现方法。其次，详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理，利用Verilog HDL硬件电路描述语言，编写了SVPWM、坐标变换、串行通信、位置检测等IP模块，并进行了仿真和验证。最后，将本文编写的主要SVPWM IP模块、串行通信、位置检测等IP模块在Quartus II 3.0软件中进行综合编译，并通过ByteBlaster II下载电缆将生成的网络表配置到NIOS II开发板上的Cyclone 系列FPGA EP1C20F400C7芯片中，经过实验测试，验证了所编写的IP模块的正确性。 关键词：矢量控制，空间矢量脉宽调制，FPGA，IP 引言 为满足现代数控系统技术与市场发展需求，伺服系统出现交流化、数字化、智能化三个主要发展动向。伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：直流伺服系统和交流伺服系统，其中交流伺服系统又可分为感应电动机伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统[1]。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在伺服系统上得到应用。随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1972年，德国西门子的Blaschke提出了交流异步电动机的矢量控制理论。该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，得到类似直流电动机的解耦的数学模型，使交流电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机的性能。1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化[2]。90年代以来，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁同步伺服电动机得到了长足的发展。交流伺服系统采用永磁同步伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于永磁同步伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前永磁同步交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为：交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制[3][4]。 最初，交流伺服电机的变频调速都是由分立器件实现的，不可避免地存在温漂、老化等问题。这种方法所使用的器件数目非常多，而且结构也很复杂，这就使得系统的可靠性、精度很难保证在一个较高的水平。另外，用分立元件实现数字脉宽调制需要使用波形发生器，而分立元件的工作频率有限，因而很难实现高性能高精度的数字脉宽调制。利用分立元件实现较复杂的脉宽调制技术（如SVPWM）有很大的困难，复杂的逻辑关系难以实现。这些都驱使人们寻求其它实现数字脉宽调制的方法。其中单芯片系统（SOPC）使这种想法成为可能，在单芯片上可以实现复杂而精确的逻辑运算，运算速度比分立元件高得多，因而越来越受到人们的重视。本文对实现SOPC有很大帮助，利用Quartus软件生成的网络表可以直接用于芯片的生产[5]。
永磁同步电机与异步电 机性能比较 集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
永磁同步电机与异步电机性能比较 永磁同步电机与异步电机相比，具有明显的优势，它效率高，功率因素高，能力指标好，体积小，重量轻，温升低，技能效果显着，较好地提高了电网的品质因素，充分发挥了现有电网的容量，节省了电网的投资，它较好地解决了用电设备中“大马拉小车”现象。 1. 效率及功率因素 异步电机在工作时，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗了电网电能，这部分电能最终以电流在转子绕组中发热消耗掉，该损耗约占电机总损耗的20~30%，它使电机的效率降低。该转子励磁电流折算到定子绕组后呈感性电流，使进人定子绕组中的电流落后于电网电压一个角度，造成电机的功率因数降低。另外，从永磁同步电机与异步电机的效 率及功率因数曲线(图1)可以看出，异步电动机在负载率（=P 2/P n ）<50% 时，其运行效率和运行功率因数大幅度下降，所以一般都要求其在经济 区内运行，即负载率在75%-100%之间。 (a) η--( P2/P n) (b) ? cos--( P2/P n) 图1 永磁同步电动机与异步电动机的效率和功率因数 1. 异步起动永磁同步电动机 2.异步电动机 永磁同步电机在转子上嵌了永磁体后，由永磁体来建立转子磁场，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子中无感应电流，不存在转子 电阻损耗，只此一项可提高电机效率4%~50%。由于在水磁电机转子中无 感应电流励磁，定子绕组有可能呈纯阻性负载，使电机功率因数几乎为1.
从永徽同步电机与异步电机的效率及功率因数曲线(图1)可以看出，永磁同步电机在负载率>20%时，其运行效率和运行功率因数随之变化不大，且运行效率>80%. 2. 起动转矩 异步电机起动时，要求电机具有足够大的起动转矩，但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电做力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，异步电机的起动设计往往面临着两难选择。 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起动转矩倍数由异步电机的1.8倍上升到2.5倍，甚至更大，较好地解决了动力设备中“大马拉小车”的现象。 3. 工作温升 由于异步电机工作时，转子绕组有电流流动，而这个电流完全以热能的形式消耗掉，所以在转子绕组中将产生大量的热量，使电机的沮度升高，影响了电机的使用寿命。 由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。4.对电网运行的影响 因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网、翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网
基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真随着电动机在社会生产中的广泛应用，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间
电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。由于α轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α-β坐标系也是静止坐标系。 3)转子坐标系(d-q坐标系) 转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。 矢量控制中用到的变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke 变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。 1.1.2 由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换） 三相同步电动机的集中绕组U、V、W的轴线在与转子垂直的平面分布如上图所示，轴线依次相差120°，可将每相绕组在气隙中产生的磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，所以可以把气隙的磁场简化为一个二维的平面场。简单起见，可以U为α轴，由α起逆时针旋转90°作β轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（α-β）产生的磁动势来等效三相静止坐标系（U-V-W）产生的磁动势。如图1.1所示。