三相永磁同步电动机变频调速系统设计

永磁同步电动机的电磁设计与分析摘要永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，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，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。

本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。

还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。

又通过Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。

关键词永磁同步电动机；电磁设计；性能分析The design of Permanent-MagnetSynchronous MotorAbstractPMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss .The paper mainly introduces the PMSM's development background and foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density.Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (4)1.1 课题背景 (4)1.2 永磁电机发展趋势 (5)1.3 本文研究主要内容 (6)第2章永磁同步电动机的原理 (7)永磁材料 (7)2.1.1 永磁材料的概念和性能 (7)2.1.2 钕铁硼永磁材料 (8)永磁同步电动机的基本电磁关系 (9)2.2.1 转速和气隙磁场有关系数 (9)2.2.2 感应电动势和向量图 (10)2.2.3 交直轴电抗及电磁转矩 (12)小结 (13)第3章永磁同步电动机的电磁设计 (14)3.1 永磁同步电机本体设计 (14)3.1.1 永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标 (14)3.1.2 定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计 (15)3.1.3 转子铁心的设计 (16)永磁同步电动机本体设计示例 (18)3.2.1 额定数据及主要尺寸........................................ 错误!未定义书签。

2022 年永磁耦合与调速驱动器从美国引进我国，在美国已大量应用于冶金、石化、采矿、发电、水泥、纸浆、海运、军舰等行业，国内现在应用案例主要有浙江嘉兴电厂，山东海化自备热电厂, 华电东华电厂, 华能南京电厂, 中石化北京燕山石化, 枣庄煤业集团蒋庄煤矿等大型企业集团。

永磁磁力驱动技术首先由美国 MagnaDrive 公司在 1999 年获得了突破性的发展。

该驱动方式与传统的同步式永磁磁力驱动技术有很大的区别，其主要的贡献是将永磁驱动技术的应用大大拓宽。

它不解决密封的问题，但是它解决了旋转负载系统的对中、软启动、减震、调速、及过载保护等问题，并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高，可达到 98.5%。

目前，由 MagnaDrive 公司和美国西北能效协会组成专门小组对该技术设备进行商业化推广。

由于该技术创新，使人们对节能概念有了全新的认识。

在短短的几年中， MagnaDrive 获得了很大的发展，现已经渗透到各行各业，在全球已超过 6000 套设备投入运行。

永磁磁力耦合调速驱动(PMD)是通过铜导体和永磁体之间的气隙实现由电动机到负载的转矩传输。

该技术实现了在驱动(电动机)和被驱动(负载)侧没有机械链接。

其工作原理是一端希有金属氧化物硼铁钕永磁体和另一端感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载速度调节。

由下图所示， PMD 主要由导体转子、永磁转子和控制器三部份组成。

导体转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，导体转子和永磁转子之间有间隙(称为气隙)。

这样电动机和负载由原来的硬(机械)链接转变为软(磁)链接，通过调节永磁体和导体之间的气隙就可实现负载轴上的输出转矩变化，从而实现负载转速变化。

由上面的分析可以知道，通过调整气隙可以获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速。

磁感应原理是通过磁体和导体之间的相对运动产生。

也就是说， PMD 的输出转速始终都比输入转速小，转速差称为滑差。

同步电动机启动原理与励磁系统分析摘要：对于同步电动机而言，它的起动方法有好几种，例如：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。

而异步起动法就是同步电动机在转子上装有类似感应电动机笼型绕组的起动绕组（即阻尼绕组），电动机转子由磁极冲片叠片而成的磁极、圆筒磁轭等组成，磁极设有横、纵阻尼绕组。

当电动机接通电源后，便能产生异步转矩起动电动机到接近同步转速，然后设法将电动机牵入同步。

大多数同步电动机都是采用此方法起动的。

本文对同步电动机启动原理与励磁系统进行分析，以供参考。

关键词：同步机；启运原理；励磁分析引言压缩空气储能（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ-Ａｉｒ-Ｅｎｅｒｇｙ-Ｓｔｏｒａｇｅ，ＣＡＥＳ）是一种具有储能容量大、使用周期长、响应速度快等优点的大规模储能技术方案，同时较电池储能更加安全可靠，较抽水蓄能不那么依赖于地理环境，近年来引起国内外大型企业及研究机构的高度关注，国内也相继建成多个集成示范项目。

其中压缩空气储能环节，因为压缩机空气流量及出口压力一般都比常规压缩机要大很多，及在项目装机容量和建设规模的要求，所以一般选择大型同步电动机作为压缩机的驱动。

同时，同步电动机也以其优异的功角特性及良好的性能在动力拖动中有着广泛的应用。

1永磁同步电动机控制方法简述永磁同步电动机控制方法主要采用变频调速方法。

交流电动机的变频调速系统主要控制形式分为开环控制和闭环控制。

比较2种控制方式，因永磁同步电动机在开环控制方式下无法将电机转子位置信号和电机运行的实际速度信号作为实时反馈信号，易出现电机运行失步和突然停车等问题，从而造成永磁同步电动机退磁故障，所以开环控制的变频调速系统并不适用于永磁同步电动机。

为精确得到电机的转子位置信息和电机运行速度信息，实现永磁同步电动机的闭环控制，目前主要采用的方法是在电机的转轴上安装高精度的传感器。

其中，电梯行业常见的传感器主要为光电编码器来检测电机的转子位置信息和电机转速。

FOC控制是一种使用变频器来控制三相交流电机的技术。

永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。

1971年，由F．Blaschke 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。

矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。

矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。

直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。

该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。

控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。

而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。

矢量控制的基本思想是在普通的三相交流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，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。

这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。

控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。

1 永磁同步电机的数学模型1.1 永磁同步电机系统的结构永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。

定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。

转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。

1.2 坐标变换坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。

线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。

电动机中用到的坐标变换都是线性变换。

在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对我们是静止的，即：α,β 坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组 A 相的产生磁势的方向，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为 d,q 坐标，其中 d 轴跟单磁极的 N 极方向相同，即和磁力线的方向相同，q 轴超前 d 轴 90 度下图所示。

永磁同步发电机矢量控制系统设计Design of Vector Control System of PMSG学 院：专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师： （教授）2012年 6月摘要在永磁同步发电机应用在发电系统中，存在着一些问题。

由于无转子励磁电流，所以转子磁场存在着不可控性，也就是说，永磁同步发电机的输出电流和输出电压存在着不可控性。

为解决上述问题，提出了利用三相桥式有源逆变电路的控制策略，并基于AT89C51单片机为核心，介绍了三相桥式逆变器的控制单元电路、各种检测保护电路、IGBT驱动电路和软件控制的设计原理与设计过程，应用PWM控制技术和永磁同步电机的矢量控制方法，基于三相电压型逆变电路的工作原理，运用PWM技术使输出电压、电流接近正弦波。

逆变器采用89C51单片机及单相PWM集成电路SA4828后，控制电路大为简化、器件减少，结构紧凑、降低了成本，提高了可靠性。

并通过编程来有效的控制永磁同步发电机的输出电压及输出电流。

通过调试运行取得了比较理想的结果。

关键字：永磁同步发电机；三相桥式逆变电路；PWM；单片机；矢量控制AbstractThere is still some problem remaining to be solved when permanent magnet synchronous generator applies in system. Because of No rotor exciter current, rotor field is uncontrollable, which means the output current and voltage of permanent magnet synchronous generator is uncontrollable. In order to solve the aforementioned problem, someone has come up with this device called three-phase bridge which has a function of reverse current, and uses AT89C51 SCM as a core, three-phase bridge type inverter is introduced. Its Control unit circuit, all kinds of test protection circuit, IGBT driver circuit and the design principle and procedure of the software control, which unitizes PMW control technology and the vector control method of permanent-magnet synchronous motor, based on the working principle of the three phase bridge inverter circuit, applies PMW technology to enable output voltage, make current close to Sine wave. After 89C51 SCM and Single-phase PWM integrated circuit SA4828 of the converter is applied, the control circuit has been simplified essentially, component has been reduced, the cost is lowered, and more reliability is ensured. What's more, controlled by programming technology has effectively controlled the output voltage and output current of the permanent magnet synchronous generator. A satisfactory result is obtained by adjusting the setting.Keywords: PMSG; DSP; adaptive control; direct torque control目录摘要 (I)Abstract ......................................................................................................................... I I 第1章绪论 .. (1)1.1 研究背景、目的和意义 (1)1.2 课题国内外研究现状及趋势 (2)1.3 论文的主要研究内容 (5)1.4 本论文的结构安排 (5)第2章理论分析和论述 (6)2.1 永磁同步发电机数学模型和矢量分析 (6)2.2 矢量控制技术 (9)2.3 IGBT的工作原理 (11)2.4 三相逆变桥电路及其控制 (13)2.5 PWM控制技术 (17)2.6 89C51单片机介绍 (19)2.7 SA4828芯片介绍 (23)第3章硬件电路设计 (26)3.1 永磁同步发电机基本控制电路 (26)3.2 单片机外围电路 (26)3.3 检测电路的设计 (28)第4章永磁同步发电机控制系统的软件设计 (29)4.1 控制器主程序设计 (30)4.2 控制系统子程序设计 (31)第5章结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)第1章绪论1.1 研究背景、目的和意义工业自动化技术和装备设计多个学科领域，其中所应用的计算机相当于人的大脑，负责对信息进行数值计算、逻辑推理、决策判断，并发出控制指令。

电动自行车永磁同步电机矢量控制调速策略的设计江剑峰;曹中圣;杨喜军;雷淮刚【摘要】电动自行车(E-Bike)传动系统的发展日益强调节能降耗和优良调速性能.采用矢量控制的电动自行车永磁同步电机(PMSM)变频调速策略,相比无刷直流电机的120°或180°导通调制策略,具有转矩脉动小、机械噪声低等优点.在描述电动自行车传动系统结构基础上,描述了电动自行车转子磁链定向PMSM矢量调速、单零矢量开关损耗最小空间矢量脉宽调制( SVPWM)、三相定子电流重构的基本原理,在利用MATLAB/Simulink仿真分析后,设计了基于单片机uPD78F1213的实际系统,试验结果表明上述设计方案是可行的,具有良好的性能价格比.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2011(038)006【总页数】5页(P21-25)【关键词】电动自行车;永磁同步电机;矢量控制;电流重构【作者】江剑峰;曹中圣;杨喜军;雷淮刚【作者单位】上海交通大学电气工程系,上海200240;上海交通大学电气工程系,上海200240;上海交通大学电气工程系,上海200240;上海大学自动化系,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TM301.2:TM3510 引言作为一种清洁环保的交通工具，电动自行车(E-Bike)因其生产和使用方面具有许多优点，市场前景非常广阔。

目前为止，E-Bike的电动机大都采用永磁无刷直流电动机(Brushless DC Motor，BLDCM)，这种电动机的反馈装置和控制结构都比较简单，生产成本也较低。

但是定子电流和气隙磁通为方波或梯形波，带来了转矩脉动大的固有不足，特别是低速时，脉动更加明显，静音效果差。

E-Bike量大面广，由蓄电池供电，要求其传动系统具有更高的效率。

基于以上考虑，可以采用基于矢量控制的永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)代替 BLDCM，可以克服以上问题。