永磁同步电机及其控制技术的研究现状

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1、永磁同步电机及其控制技术的研究现状在直流电机、异步电机、同步电机三大电机系统中，永磁同步电机为其性能优良和 结构多样，在工农业生产制造，日常生活以及航空航天事业等领域中得到广泛的应用. 为使得电机有较好的控制性能，需要使用变频器对永磁同步电动机进行驱劫和控制,因 此,研究如何在通用变颜器上实现永磁同步电动机矢量控制具有非幡重要的实用价值：CD永磁同步也机矢量控制系统是一种高性能的交流调速系统。由于永磁同步电 机结构简单、体积小、重量轻、效率高、过载熊力大、转动惯量小以及转矩脉动小等优 点，并且利用矢量控制思想，永磁同步电机可以使得输出转柜随定了电流线性变化，永 磁同步电机矢量控制系统可以达到优

2、越的控制性能.（2）我国是世界上最早利用磁的国家，早在公元前2500年前后就已经有相关天然 磁石的记载,同时，永磁材料产业的发展与电子信息、通信技术、矿业、航空航天、交 通运输等行业密切相关，具有重要的战略意义卬】。（3）微电子技术的发展促进了数字技术在溺速系统中的应用，配合高效软件可提 供较好的及活性和控制性能。电机控制系统的数字化进程是实现现代调速系统发展的方 向之一。相比于模拟控制，数学控制更易于实现先进控制策略，同时数字控制系统的硬 件成本低、结构简唯且高效节能闾.人类最早发明的电机是利用天然磁铁建立磁场的，1821年9月，法拉第发现通也 号线在磁场中会受到力的作用，他第一次实现了把电

3、能转化为机械能,从而在实蛉空建 立了最初的电机模型，被认为是世界上第一台电机, 1831年，在发现电磁傅应现象之 后不久，法拉第利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义上的电机一法拉第阿 盘发电机* 1S32年，斯特金发明了换向器，制作了世界上第一台能筋连续运动的旋转 电机1附5年，英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，并取得了季利权，这是增强发 电机输出功率的一个重要措施.1967年,彩砧永磁材料的出现，开创了永磁电机发展 的新纪元.随着科学技术的发展，各类电机不断问世，电机的种类越来越多，上要分为直流电 机和交流电机两大类，而交流电机主要分为异步他机和网步通动机0并步电机结构简单， 造价低廉

4、且维护较少，可应用于在环境恶劣的场合，但也存在不少缺点，运转过程中电机发热导致转子电阻变化从而影响矢量控制性能。在交流调速系统发展初期，异步电动 机在调速系统中得到了广泛的应用.相反，在变频器出现之前，同步电机的应用相对较 少，主要是因为同步电机在工频电源3静止的电机转子在定子旋转磁场的一个周期内 受到的平均转矩为零，即同步电机无法实现自启动。因此，在变频器的广泛应用之前， 在工业应用中对同步电机进行调速是及其困难的。在大功率范围内的同步电机应用也往 往是用来改善电网功率因数，宜到变频电源技术的发展，才解决了上述问题，最终推动 永破同步电动机在工业调速系统中的发展与应用随着永磁材料性能的提高和

5、价格的降低，以永磁同步电机为执行机构的交流调速系 统已经成为当今调速系统的主流交流永磁电机根据电机主磁场在定子绕组中感应出的 电动势波形的不同，主要分为两大类；相感应电势波形为梯形波的称为无刷兑流电机 (Ihe Brushless DC Motor,简称BLDC),相感应电势波形为正弦波的称为永磁同步电 机(Pcnnancnl Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)。其相感应电势与电流之间的 关系如图1.1所示为产生恒定转矩，控制BLDC需要三相对称方波电流,而控制PMSM 则需三相对称正弦电流。(a) BLDC (b) PMSM图1.1永磁电机相反电动势与电流关系波

6、形PMSM按永磁体所在的位置不同，可分为旋转磁极式和旋转电枢式；按所使用的 永磁材料种类多少可分为单一式结构和混合式结构；按永磁体形状分为瓦片形感极、孤 形磁极、环形磁极、星形磁极和爪极式磁极；按永磁体在转子上的安置方式可分为表贴 式、内嵌式和内埋式结构。由于永磁材料的磁导率与空气的磁导率十分接近，因此对于表贴式永磁同步电机而 言，交直轴电感基本相等，属于除极电机：而内嵌式永磁同步电机与内埋式永磁同步电 机的直轴磁路与交轴磁路不同，所以交直轴电感也不同，属于凸极式电机。表贴式永磁 同步电机的永磁体由外包钢膜贴于转子表面，交直轴电感较小，可快速获得感应电流， 无磁阻转矩部分，因此可获得较好的线性

7、转矩特性，多用于要求快速响应的随动系统， 但此类转子结构限制了它在高速场合的应用，防止永磁体由于较大的离心力而飞出。内 埋式永越同步电动机由于永磁体埋入转子内部，解决了因离心力而使磁铁匕出的问题， 此类结构的电机存在磁阻转矩，可提高电机的功率密度，但制造工艺虚度大导致价格昂 贵且漏前系数较前者大快.永磁同步电机的发展与永磁材料技术的发展进步息息相关.目前，永磁同步电机采 用的永磁材料主要有铁氧体、铝锲钻和稀土永磁材料三大类。其中，稀土永磁材料主要 包括铁铁硼和杉钻。彩钻永磁材料性能好、价格昂货，在使用这类材料时，各国研究开 发的重点是航天航空用的电机和追求高性能而价格不是主要考虑范围的高科技领

8、域。 1983年，随着磁性能比彭钻更高而价格相对较低的被铁硼永磁材料出现，国内外研究 开发的重点转移到民用和工业用的电机上.国外主要开发数控机床、计算机硬盘驱动电 机和机器人用的无刷宜流电机，国内主要开发各种工业调速系统用的高效永磁同步电 机。到20世纪90年代初期，位铁硼永磁材料已经占据了世界诙磁市场50%份额。 近年来，随着包铁硼永被材料耐高温性能的不惭提高和价格的再次降低，钛铁硼永磁电 机在日常生活、工农业生产和国防等方面得到更为广泛的应用，正在向着高功能化、大 功率化和微型化方向发展，永磁电机的品种和应用领域也将不断扩大W】。1.2.2 永磁同步电机控制策略的发展电流电机的控制方法简单

9、且成熟，其中，调节电枢回珞电阻最为简单，但是它属于 有极调速，口能耗高.后来发展到调节电枢电压调速,电动机的调速性能好，属于无极 调速，但是需要较为复杂且昂贵的调库装置，其中可以采用的调乐装置有旋转变流机绢、 晶同管相捽整流系统、肯沛PWM后波系统等.永磁同4电机与异步电机不同，稳态运 行时不存在转差因而只能通过改变主磁场的运行调速即改变中.机极对数或者改变定子 电流频率来实现永磁同步电机的调速。交流电机变频调速已经广泛应用于各种场合，本 文中交流永磁同步电机的控制就是围绕变频调速展开的。永磁同步电机的控制宽略主要有以下三种方式：调压调频控制(Variable Voltage Variable

10、 Frequency,简称 VVVF 或者 VF)、矢量控制(Field Oriented Control,简称 FOC) 和直接转矩控制(Direct Torque Control.简称DTC)VF控制方式所控制的是电机的外部变量，即电机的定子电压和频率。在系统中预 先设定好一条电压随频率变化的曲段.对于任意频率值，根据这条VF曲线都能找到相 应的电压值，然后将此电压值通过一定的调制算法并由逆变器产生出这个正弦电张.再施 加到电机的定子绕组上，就能实现VF控制。通常逆变器的调制方法选择PWM方式。 VF控制属尸开环控制，非常适用于精度要求不高的异步电机调速场合,若使用VF方 式控制同步电机，

11、重载时会出现电机失步的现象。矢量控制也叫蔽场定向控制，其实质是在控制三相交流电的电压大小和频率大小的 基础上，加上了相位控制，这个相位在具体操作中体现为一个角度，简单的讲就是电机 定子电流相时于转子磁极的位置角,电机定子三相对称交流电的综合效果是一个旋转磁铁，电机运转过程中，相当于定子磁铁拖着转子磁铁旋转了，这是电机旋转的基本原理。 只有当定于磁铁相对于转子磁铁相对位置靠得很近，产生的力期才最大，所以如何在电 机三相定子绕组上通电获得最大转矩,实际上还是和转子位置育关的.矢量控制就是实 时侦测电机转子磁吸位苴，然后实时决定三相定子绕组上电压的相位，这样理论上可以 做到同样大小的电流下产生最大的

12、转矩，从而减小电机负载变化时的瞬态过程。与VF 控制相比，矢量:控制最本质的区别就是加入了电压相位控制。从操作层面上看，矢量控 制把电流分解成转矩电流和励磁电流，对于永磁同步电机而言，将痂磁电流定位于转子 磁极上，合理的控制转矩电流和励磁电流的大小就能使得同样的电流产生的转矩最佳的 效果。在瞬态过程如突加、究和负我的情况卜，矢量控制会的看速度的变化自动调整所 加电压、频率的大小和相位关系，是这个瞬时过程更快恢笈平衡。矢量控制里的坐标变 换，是一种便于理解和描述的手段,从电机理论来看，在dq同步旋转坐标系里，三相 正弦交流量可以转换成两相直流量，这样可以简化运算，便于数字处理。直接转矩控制是继矢

13、用控制技术之后又一新型的高效变频调速技术。20世纪80年 代中期，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本教授的I.Takahashi教授分别提出了 六边形直接转矩控制方案和圆形直谖转矩控制方案，并最先应用于异步电机的调速系统 中【切。其基本思想是在定于坐标系统中准确计算定于磁链和电磁转柜的大小和位置闲， 通过磁链幅值和转矩的直接跟踪来实现高性能动态捽制,在控制思想匕与矢量控制不 同的是，直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变 换，且对电机参数变化不敏感，因此具有结构筒单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等 优点。但应用直接转矩控制方式的系统稳态运行时转矩脉动

14、较大，一些学者通过添加零 电压矢量的方法来减小转矩脉动。经过几年的发展，国内外一些学者提出了空间矢量调 制和直接转矩控制结合的方法，基本解决了转矩脉动问题。现阶段，世界上各大品牌变 频湃中，只有ABB公司将直接转矩控制克法用于通用变频器凶划。1.2.3 永磁同步电机的几种磁场定向控制方式根据应用场合的不同，可将转子永磁磁链定在不同的坐标轴上，现在用得较多的磁 场定向控制方式有：气隙磁链定向控制、阻尼磁链定向控制、定子磁雄定向控制、转子 磁链定向控制-31对于以永磁同步电机为执行机构的运动控制系统而言，主要采用转 于能依定向控制方式，该方式特别适用于小容量调速系统。永磁同步电机的电流控制方法主要

15、有：(1)。= 0控制七=0的控制，即控制d轴电流为0,使得定子电流没有直轴分量，只有交轴分取。优点，此类控制方法的控制性能类似于直流电机，控制简单，易于数字实现且能实 现输出转矩随电流的线性变化关系，调速范围宽。缺点：当电机的负我增加时，定子电流和定子反电势都随之增大，这必然使得定子 电正升高，同时定子电压与电流的夹角增大导致功率因数的降低，这将要求提高逆变器 的容量。适用场合：小容量调速系统、高性能的控制场合。(2)最大转矩电流比控制该控制方式以输出某一转矩为目标，最优配置d轴电流和q轴电流,使得输出目标 转矩所需的定子电流最小。优点：相同的电流产生最大的转生，使得系统高效节能，降低成本.

16、在该方法的基 础上对电机果用弱碳控制还可以改善电机的高速运转性能。缺点：控制算法相对复杂，实现不易，旦功率因数会随着输出转矩的增大儿快速下 降，适用场合：功率较低的交流调速系统，对转矩响应即过载能力要求比较高的系统.(3) cosg = l 控制其中，3为定子电压与电流的夹角，COS。= 1控制是通过控制定子d、q轴电流， 保持电机的功率因数恒为1的一种控制方式.优点：功率因数高，能充分利用变频器容量。缺点：由于永磁同步电机由转子永磁体励诚，且永磁体磁链几乎不变，当负载变化 时，电枢绕组的总磁链不为定值，因此不能实现定子电流随转矩的线性变化关系。适用场合：大功率调速系统(4)恒磁链控制恒磴链控

17、制是通过合理控制电机的定子电流，使电机气隙磁锭和转子永磁破链相 等,这种控制方式属于气隙磁场定向控制方式.优点：该控制方式功率因数高，在一定程度上电动机的最大输出转得以提高矩，并 且在捌出相同转短情况下，所需要的逆交器容量:比。=0万式小。缺点；去磁分量大。适用场合：大功率调速系统。(5)弱磁控制弱碳控制应用于电机在额定转速以上运行时的场合。当电机恒功率区工作时，随着 电机速度的提升，电机定子电压也随之升后，当定子电压达到额定电压，此时若要继续 提升电机转速，不能再通过继续升压的方式来实现，只能通过降低励磁费链减小反电势 部分的电压来维持电压平衡.永磁同步电机的由永磁体产生主磁场而无法调节励磁破 徒，只有通过增加d轴去磁分量来削弱主磁场，方能继续提升电机转速。优点：电机可运行于额定转速以上缺点：永磁同步电机在弱磁恒功率区运行的效果较差，只能短期运行。长时间的弱磁运行必须采取特殊的控制方法适用场合：当电机电压达到额定，但仍需要继续升速的场合