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1、此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除(一)PMSM 的數(shù)學(xué)模型交流電機(jī)是一個非線性、 強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。 永磁同步電機(jī)的三相繞組分布在定子上， 永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。 在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中， 定子與轉(zhuǎn)子始終處于相對運(yùn)動狀態(tài)， 永磁體與繞組， 繞組與繞組之間相互影響， 電磁關(guān)系十分復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素， 要建立永磁同步電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們通常做如下假設(shè)：1) 忽略電機(jī)的磁路飽和，認(rèn)為磁路是線性的；2) 不考慮渦流和磁滯損耗；3) 當(dāng)定子繞組加上三相對稱正弦電流時(shí)，氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略氣隙中的高次諧波；4) 驅(qū)動開關(guān)管

2、和續(xù)流二極管為理想元件；5) 忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等影響。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、 磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動方程組成，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：(l)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示:udRsidLd didcqdtdiquqRsiq Lq dtcd其中， Rs 為定子電阻； ud、uq 分別為 d、q 軸上的兩相電壓； id、iq 分別為 d、 q 軸上對應(yīng)的兩相電流； Ld 、Lq 分別為直軸電感和交軸電感； c 為電角速度； d、 q 分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程， 則需做兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換，如

3、下式所示。uacossin222uducos()sin()b333uquccos(2)sin(2)33(2)d/q 軸磁鏈方程：dLd idfqLqiq其中， f 為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，為常數(shù)，fe0，而 rcp是機(jī)械角速r度， p 為同步電機(jī)的極對數(shù)， c 為電角速度， e0 為空載反電動勢，其值為每項(xiàng)繞組反電動勢的 3 倍。精品文檔此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除(3)轉(zhuǎn)矩方程：Te3pd iqq id2把它帶入上式可得 :Te3 pf i q(LdLq )id iq23 p f i q3 p( LdLq )id iq22對于上式，前一項(xiàng)是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩， 稱為永磁轉(zhuǎn)矩

4、； 后一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子突極效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩，若 Ld=Lq ，則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩方程為：Te3 pf i qkt i q2這里， kt 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)， kt3 pf 。(4)機(jī)械運(yùn)動方程：2TedmBm TLJdt其中， m 是電機(jī)轉(zhuǎn)速， TL 是負(fù)載轉(zhuǎn)矩， J 是總轉(zhuǎn)動慣量 (包括電機(jī)慣量和負(fù)載慣量 )， B 是摩擦系數(shù)。(二)直線電機(jī)原理永磁直線同步電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變， 相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和動子沿軸向剖開，然后將電機(jī)展開成直線， 由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。 由此得到了直線電機(jī)的定子和動子， 圖 1 為其轉(zhuǎn)變過程。直線電機(jī)不僅在

5、結(jié)構(gòu)上是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的演變，在工作原理上也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。在旋轉(zhuǎn)的三相繞組中通入三相正弦交流電后， 在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣隙磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（又叫同步轉(zhuǎn)速）為：ns60 f (r / min)（ 1-1）p其中， f 交流電源頻率，p 電機(jī)的極對數(shù)。如果用 v表示氣隙磁場的線速度，則有：v ns2p2 f (mm/ s)（ 1-2）60其中，為極距。精品文檔此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)形式以后，如果不考慮鐵芯兩端開斷引起的縱向邊端效應(yīng)，此氣隙磁場沿直線運(yùn)動方向呈正弦分布，當(dāng)三相交流電隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場由原來的圓周方向運(yùn)動變?yōu)檠刂本€方向運(yùn)動，次級產(chǎn)

6、生的磁場和初級的磁場相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。在直線電機(jī)當(dāng)中我們把運(yùn)動的部分稱為動子，對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。 這個原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似， 二者的差異是： 直線電機(jī)的磁場是平移的， 而不是旋轉(zhuǎn)的， 因此稱為行波磁場。 這時(shí)直線電機(jī)的同步速度為v= 2f,旋轉(zhuǎn)電機(jī)改變電流方向后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，同樣的方法可以使得直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動。NSS轉(zhuǎn)子（次級）N轉(zhuǎn)矩 T定子（初級）N推力 FSNS圖 1 永磁直線同步電機(jī)的演變過程行波磁場v SN次級vsYCXBZA初級圖 2 直線電機(jī)的基本工作原理對永磁同步直線電機(jī)， 初級由硅鋼片沿橫向疊壓而成， 次級也是由硅鋼片疊壓而成，并且在次級上安裝有永磁體。

7、根據(jù)初級，次級長度不同，可以分為短初級 -長次級結(jié)構(gòu)和長初級 -短次級的結(jié)構(gòu)。對于運(yùn)動部分可以是電機(jī)的初級，也可以是電機(jī)的次級， 要根據(jù)實(shí)際的情況來確定。 基本結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，永磁同步直線電機(jī)的速度等于電機(jī)的同步速度：v vs 2 f（ 1-3）精品文檔此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除d軸q 軸NSAC-BA-CB-圖 3 PMLSM 的基本結(jié)構(gòu)(三)矢量控制（磁場定向控制技術(shù)）矢量控制技術(shù)是（磁場定向控制技術(shù)） 是應(yīng)用于永磁同步伺服電機(jī)的電流 （力矩）控制，使得其可以類似于直流電機(jī)中的電流（力矩）控制。矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。坐標(biāo)變換需要坐標(biāo)系，變化整個過程給出三個坐

8、標(biāo)系：1) 靜止坐標(biāo)系（ a，b，c）：定子三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的 a，b，c三軸上；2) 靜止坐標(biāo)系（，）：在（ a， b，c）平面上的靜止坐標(biāo)系，且軸與 a 軸重合，軸繞軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90 度；3) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ d,q ）: 以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。v矢量控制技術(shù)對電流的控制實(shí)際上是對合成定子電流矢量i s 的控制，但是對v合成定子電流矢量i s 的控制的控制存在以下三個方面的問題：v1) i s 是時(shí)變量，如何轉(zhuǎn)換為時(shí)不變量？2) 如何保證定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢之間始終保持垂直？v3) i s 是虛擬量，力矩 T 的控制最終還是要落實(shí)到三相電流的控制上，如何實(shí)現(xiàn)這個轉(zhuǎn)換？vi s

9、 從靜止坐標(biāo)系（ a，b，c）看是以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的，而從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 （d,q）上看是靜止的，也就是從時(shí)變量轉(zhuǎn)化為時(shí)不變量，交流量轉(zhuǎn)化為直流量。所以，通過 Clarke 和 Park 坐標(biāo)變換（即3/2 變換），實(shí)現(xiàn)了對勵磁電流idvv和轉(zhuǎn)矩電流 iq 的解耦。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中， i s 已經(jīng)成為了一個標(biāo)量。 令 i s 在q 軸上（即讓 id=0），使轉(zhuǎn)子的磁極在 d 軸上。這樣，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（ d,q）中，我們就可以象直流電機(jī)一樣， 通過控制電流來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 且解決了以上三個問題中的前兩個。但是， id、iq 不是真實(shí)的物理量，電機(jī)的力矩控制最終還是由定子繞組電流ia、 ib

10、 、ic（或者定子繞組電壓ua、ub、 uc）實(shí)現(xiàn)，這就需要進(jìn)行Clarke 和 Park 坐標(biāo)逆變換。且解決了以上三個問題中的第三個。力矩回路控制的實(shí)現(xiàn)：精品文檔此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除nrefiqrefUqPIPIidref=0UdPIiqidnf速度、位置檢測usUParkSV3相逆變換UPWM逆變器i iaParkClark逆變換i 變換ibpmsm1)圖中電流傳感器測量出定子繞組電流ia,ib 作為 clarke 變換的輸入， ic 可由三相電流對稱關(guān)系 ia+ib+ic=0 求出。2)clarke 變換的輸出 i ,i ，與由編碼器測出的轉(zhuǎn)角作為 park 變換的

11、輸入，其輸出 id 與 iq 作為電流反饋量與指令電流 idref 及 iqref 比較，產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng) PI 運(yùn)算后輸出電壓值 ud,uq。3) 再經(jīng)逆 park 逆變換將這 ud,uq 變換成坐標(biāo)系中的電壓 u ,u。4) SVPWM 算法將 u,u轉(zhuǎn)換成逆變器中六個功放管的開關(guān)控制信號以產(chǎn)生三相定子繞組電流。(四)電流環(huán)控制交流伺服系統(tǒng)反饋分為電流反饋、 速度反饋和位置反饋三個部分。 其中電流環(huán)的控制是為了保證定子電流對矢量控制指令的準(zhǔn)確快速跟蹤。電流環(huán)是內(nèi)環(huán)， SVPWM 控制算法的實(shí)現(xiàn)主要集中在電流環(huán)上， 電流環(huán)性能指標(biāo)的好壞，特別是動態(tài)特性，將全面影響速度、位置環(huán)。PI

12、調(diào)節(jié)器不同于 P 調(diào)節(jié)器的特點(diǎn) :1) P 調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量 ;2) 而 PI 調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān) , 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值,它就能提供多少 ,直到飽和為止。電流環(huán)常采用 PI 控制器，目的是把P 控制器不為 0 的靜態(tài)偏差變?yōu)?。電流環(huán)控制器的作用有以下幾個方面：3) 內(nèi)環(huán)；在外環(huán)調(diào)速的過程中，它的作用是使電流緊跟其給定電流值（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出）；4) 對電網(wǎng)電壓波動起及時(shí)抗干擾作用；5) 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中（起動、升降速）中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流 - 即加速了動態(tài)過程；精品文檔此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)

13、系網(wǎng)站刪除6) 過載或者賭轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。電流環(huán)的控制指標(biāo)主要是以跟隨性能為主的。 在穩(wěn)態(tài)上，要求無靜差； 在動態(tài)上，不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)， 以保證電流電流在動態(tài)過程中不超過允許值。雙閉環(huán)電機(jī)調(diào)速過程中所希望達(dá)到的目標(biāo)：1) 起動過程中 : 只有電流負(fù)反饋 , 沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。2) 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 : 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主導(dǎo)作用 ; 電流負(fù)反饋僅為電流隨動子系統(tǒng)。雙閉環(huán)電機(jī)具體工作過程： 根據(jù)檢測模塊得到的速度值和電流值實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)測量的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的積分作用使速度環(huán)輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使PWM

14、占空比增加，電動機(jī)電流增加，從而使電機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升； 當(dāng)測量的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速度環(huán)的輸出減小， 電流給定下降，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使PWM占空比減小， 電機(jī)電流下降， 從而使電機(jī)因電磁轉(zhuǎn)矩的減小而減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)時(shí)， 速度環(huán)輸出達(dá)到限幅值， 電流環(huán)即以最大限制電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速，使電機(jī)以最大加速度加速。電流環(huán)的主要影響因素有： 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)、 反電動勢、電流調(diào)節(jié)器零點(diǎn)漂移。電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)中，比例參數(shù)Kp 越大，動態(tài)響應(yīng)速度越快，同時(shí)超調(diào)也大，因此，在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)該根據(jù)動態(tài)性能指標(biāo)來選擇Kp ；而積分系數(shù) Ti 越大，電流響應(yīng)穩(wěn)態(tài)精度就越高。(五)弱

15、磁控制所謂弱磁控制和強(qiáng)磁控制是指通過對電動機(jī)或發(fā)電機(jī)的勵磁電流進(jìn)行的控制。 “弱磁 ”就是勵磁電流小于額定勵磁電流；“強(qiáng)磁 ”則是比額定勵磁電流大的勵磁電流。強(qiáng)磁控制又稱為強(qiáng)勵控制， 主要用在發(fā)電機(jī)短路保護(hù)或欠電壓保護(hù)方面。 當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓接近于 0 或下降太多，此時(shí)需要通過強(qiáng)行勵磁， 可使發(fā)電機(jī)的端電壓升高，輸出電流增大，觸發(fā)保護(hù)裝置動作跳閘，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。弱磁控制則主要是電動機(jī)進(jìn)行弱磁調(diào)速用， 發(fā)電機(jī)弱磁控制則主要是指由直流發(fā)電機(jī) - 直流電動機(jī)構(gòu)成的 G-M拖動系統(tǒng)，為了得到軟的或下墜的機(jī)械特性時(shí)才使用。(六)電流傳感器霍爾傳感器是一種磁傳感器。 用它可以檢測磁場及其變化， 可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。 霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)，是由霍爾元件和它的精品文檔此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除附屬電路組成的集成傳感器。 霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、 交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用?；魻栃?yīng)：如圖 1 所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I ，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為：U Hk IBd式中 d