(完整word版)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制(結(jié)構(gòu)及方法)

1、第2章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制方法2.1永磁同步電機(jī)概述永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相同， 但它以永磁體提供的 磁通替代后的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費(fèi)用， 且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷， 提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性； 又因無需勵(lì) 磁電流， 省去了勵(lì)磁損耗， 提高了電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度。 因而它是近年來研 究得較多并在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越廣泛應(yīng)用的一種電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)分類方法比較多： 按工作主磁場方向的不同， 可分為徑向磁 場式和軸向磁場式； 按電樞繞組位置的不同， 可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式（常規(guī)式）和外轉(zhuǎn)子 式；按轉(zhuǎn)子上有無起繞組， 可分為無起動(dòng)繞組的

2、電動(dòng)機(jī)（用于變頻器供電的場合， 利用頻率的逐步升高而起動(dòng)， 并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速， 常稱為調(diào)速永磁同 步電動(dòng)機(jī)）和有起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)（既可用于調(diào)速運(yùn)行又可在某以頻率和電壓下 利用起動(dòng)繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，常稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)）；按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（簡 稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）。異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)用于頻率可調(diào)的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，形 成一臺具有阻尼（起動(dòng)）繞組的調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的定子與繞組式同步電動(dòng)機(jī)的定子基本相同。 但根據(jù)轉(zhuǎn) 子結(jié)構(gòu)可分為凸極式和嵌入式兩類。凸極式轉(zhuǎn)子是將永磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子軸的表 面，如圖2-1（a

3、）。因?yàn)橛来挪牧系拇艑?dǎo)率十分接近空氣的磁導(dǎo)率，所以在交軸（q軸）、直軸（d軸）上的電感基本相同。嵌入式轉(zhuǎn)子則是將永磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子軸 的內(nèi)部，如圖2-1（b），因此交軸的電感大于直軸的電感。并且，除了電磁轉(zhuǎn)矩 外，還有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。為了使永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)具有正弦波感應(yīng)電動(dòng)勢波形， 其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈 拋物線狀，其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布； 定子電樞繞組采用短距分 布式繞組，能最大限度地消除諧波磁動(dòng)勢。 永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。當(dāng) 定子通以三相對稱的正弦波交流電時(shí)， 則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。 兩種磁場相互作用產(chǎn) 生電磁力， 推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 如果能改變定子三相電源的頻率和相位， 就可以改變

4、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。2.2永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型2.2.1三相定子坐標(biāo)系(A, B, C坐標(biāo)系)上的模型(1)電壓方程：三相永磁同步電機(jī)的定子繞組呈空間分布，軸線互差120度電角度，每相繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡。 永磁同步電機(jī)由定子三相繞組電流和轉(zhuǎn)子 永磁體產(chǎn)生。定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，其中，轉(zhuǎn)子永磁磁鏈在每相繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢。由此可得到定子電壓方程為：UA二 RSIAPAUB=RSIB+PB(2-4)UC=Rslc +PC其中：UAUBUC為三相繞組相電壓；Rs為每相繞組電阻；IAIBIC為三相繞組相電流；A訂；C為三相繞組匝鏈的磁鏈；P=d/dt為微分算子。(

5、2)磁鏈方程定子每相繞組磁鏈不僅與三相繞組電流有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子永磁極的勵(lì)磁磁場 和轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，因此磁鏈方程可以表示為：圖2-1(a)凸極式圖2-1(b)嵌入式d抽7l:le A =LAAX *MABB+ MAC+ fA= MBAIA+ LBBIMBCI+fB(2-5)c=MCAA+ MCBB+LCC1C + fC其中：LAALBBLCC為每相繞組互感；MAB= MBA,MBC=MCB,MCA=MAC為兩相繞組互感；-：fA-：fB，fc為三相繞組匝鏈的磁鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈；定子電樞繞組最大可能匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈申fA=fc o S申侶=半fco(S 2兀/3)fc =fCoS +2

6、江/3)(2)磁鏈方程(3)轉(zhuǎn)矩方程Te=1PMCOSUVPMsin(旳2.2.3旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q坐標(biāo)系)上的模型永磁同步電機(jī)是由電磁式同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來，它用永磁體代替了電勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，而定子與電磁式同步電機(jī)基本相同仍要求輸 入三相對稱正弦電流?，F(xiàn)對其在d,q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型描述如下：(2-6)(3)轉(zhuǎn)矩方程:式中:2TPemmpUEs；nmpU(11)s；cLm-SI(2丨必-: Xd2 XqXd3為電角速度，Xq,Xd為交，直流同步電抗。(2-7)2.2.2靜止坐標(biāo)系(a,B坐標(biāo)系)上的模型(1)電壓方程U：k d UJ=Rsid dthJ(2-8)(2-9)(

7、2-10)(1)電壓方程Ud=骨一叫屮q+RslddtUq? - , dRslqI.dt其中：UdUq為d,q軸上的電壓分量；ld lq為d,q軸上的電流分量；，r為d,q坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角頻率；屮屮d q為永磁體在d,q軸上的磁鏈；(2)磁鏈方程Ldld亠fJ q =Lq1qUf屮其中：d q為永磁體在d,q軸上的磁鏈；L為d,q坐標(biāo)系上的等效電樞電感；ldlq為d,q軸上的電流分量；屮f為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；(3)電磁轉(zhuǎn)矩方程Te廠Pn flq fld二PJflqLdLq(2-13)其中：Tem為輸出電磁轉(zhuǎn)矩；Pn為磁極對數(shù)；本章對永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、 類型以及工作原理進(jìn)行了介紹， 并在坐標(biāo)變換

8、的基礎(chǔ)上，對其在各個(gè)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了建立，為下文的控制系統(tǒng)的建立 與相關(guān)模型的仿真提供了基礎(chǔ)。2.3永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)概述矢量控制又稱磁場定向控制，最早是由德國西門子公司F.BIaschke針對異 步電機(jī)提出，使交流電機(jī)控制理論得到了一次質(zhì)的飛躍。其基本思想為，通過旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將強(qiáng)耦合的交流電機(jī)等效為直流電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)解耦控制，從而可以得到 與直流電機(jī)相媲美的控(2-11)(2-12)制性能。后來這種控制思想被拓展應(yīng)用到永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，使永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、寬范 圍的調(diào)速和精密定位控制，隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芩欧到y(tǒng)需求的不斷增加，特別是機(jī)

9、器人和數(shù)控機(jī)床等技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有廣闊的 發(fā)展和應(yīng)用前景，已成為中小容量交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。綜上所述，矢量控制原理從發(fā)明至今已有30多年的歷史，技術(shù)趨于完善，電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展為矢量控制方法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的動(dòng)、 靜態(tài)性能，逐漸成為了高性能交流 伺服系統(tǒng)的主流。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略與異步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略略有不同。在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸下的永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程如式(2.24)所示。33TenCdiqqid)n-iq(L -Lq)idiq22(2.24)由式(2.24)可知，對永磁同步電

10、動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制最終可歸結(jié)為對直軸電流Id和交軸電流Iq的控制。輸出同樣的電磁轉(zhuǎn)矩，可以對應(yīng)多個(gè)不同的交直軸電 流組合，而不同交直軸電流組合對應(yīng)著不同的系統(tǒng)效率、功率因數(shù)以及不同的電流控制策略。根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的用途和控制目標(biāo)不同，矢量控制方法也各不相同， 主 要有Id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制、cos ? = 1控制，恒磁鏈控制。 不同的控制方法具有各自的特點(diǎn)。(1).Id=0控制在 id=0控制策略原理下各矢量之間的關(guān)系如圖2-2所示。定子電流矢量的直 軸分量為0，由式(2-6)得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：Td = pQriq(2-7)當(dāng)忽略電樞電阻時(shí)，功率因數(shù)：cos 二 cos

11、亠(2-8)圖2-2中?！眗實(shí)際上代表空載時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓,電動(dòng)機(jī)端電壓。設(shè)兩者之比為K,，且有 Ld= Lq=L，則iLK“ .1 3( . )2(2-9)Vr圖2-2在 id=0 控制策略下永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量圖令 Ldid/r二；，稱為去磁分量，在本控制方法下應(yīng)使；=0(2-10)逆變器的容量可以用S二.(Vd2 Vq2)(ld2 Iq2)來表示(2-11)此處有S 3 Op(2-12)由上式可以看出，采用 id=0 控制方式，無去磁效應(yīng)，輸出力矩與定子電流成正 比。其主要的缺點(diǎn)是隨著輸出力矩的增大，端電壓比較大而功率因數(shù)急劇降低， 從而對逆變器容量的要求增高。另外，該方法未能充分利用電機(jī)

12、的力矩輸出能力, 在輸出轉(zhuǎn)矩中磁阻反應(yīng)轉(zhuǎn)矩 o則代表系統(tǒng)帶載運(yùn)行時(shí)為0.(2).最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩控制。該方法根據(jù)凸極電機(jī) 電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角之間的關(guān)系，對一給定電磁轉(zhuǎn)矩求出最小電流對應(yīng)的交直軸兩 個(gè)電流分量作為電流給定值。定子電流空間矢量在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸下可表 示為式(2.25)所示：最大轉(zhuǎn)矩電流比控制其實(shí)就是式(2.25)在式(2.24)條件下的極值問題，即電 流矢量應(yīng)滿足(2.26)。HTe/is)d：(Te/is)1由于計(jì)算量較大，在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)實(shí)時(shí)性無法滿足，因此常采用離線計(jì)算 出不同電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的交、直軸電流，以表格的形式存放于DS

13、P中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)負(fù)載情況查表求得對應(yīng)的id和iq。 力矩電流比最大控制使電機(jī)輸出力矩 滿足的條件情況下定子電流最小，減小了電機(jī)損耗，有利于逆變器開關(guān)器件工作， 同時(shí)降低了成本。在該方法的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)娜醮趴刂品椒?，可以改善電機(jī) 高速時(shí)的性能。此方法的不足在于功率因數(shù)隨著輸出力矩的增大下降較快。(3).弱磁控制永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制思想來自他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)磁控制。對于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)其電樞端電壓達(dá)到最高電壓時(shí)， 為使電動(dòng)機(jī)能運(yùn)行于更高轉(zhuǎn)速采取降 低電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流，以平衡電壓，實(shí)現(xiàn)弱磁增速。永磁同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁動(dòng)勢由永磁體產(chǎn)生， 無法像他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)那樣通過 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)弱磁。傳統(tǒng)方

14、法是通過調(diào)節(jié)定子電流id和iq，增加定子直軸去磁電流分量實(shí)現(xiàn)弱磁升速，為保證電機(jī)電樞電流幅值不超過極限值， 轉(zhuǎn)矩電 流分量iq應(yīng)隨之減小，因此弱磁控制的本質(zhì)就是在保持電機(jī)端電壓不變情況下， 減小輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)弱磁增速。(4).cos ? = 1控制(2.25)(2.26)cos ? = 1控制保證電機(jī)的功率因數(shù)恒為1，逆變器的容量得到了充分的利 用，但在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由永磁體產(chǎn)生不易調(diào)節(jié)， 當(dāng)負(fù)載變化 時(shí)，總磁鏈無法保持恒定，所以電樞電流和轉(zhuǎn)矩之間不能保持線性關(guān)系。 而且最 大輸出力矩較小，退磁系數(shù)較大，永磁材料可能被去磁，從而造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、 功率因數(shù)和效率的下降。（5） 恒磁鏈控制恒磁鏈控制就是控制電機(jī)定子電流，使氣隙磁鏈與定子交鏈磁鏈的幅值相 等。這種方法在功率因數(shù)較高的條件下，能在一定程度上提高電機(jī)的最大輸出力 矩，但比較有限。恒磁鏈控制方法與 id=0 控制方法比較，可以獲得較高的功率 因數(shù)，并且在輸出相同轉(zhuǎn)矩情況下，需要的逆變器容量比 id=0 方式小，但去磁 分量大。綜合來看，按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向并按