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

實(shí)用文案第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(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問(wèn)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(wú)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(lái)研究得較多并在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來(lái)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(chǎng)方向的不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)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(wú)起繞組，可分為無(wú)起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī) (用于變頻器供電的場(chǎng)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(jiǎn)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(tái)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)。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)矩標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案外，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(shì)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(shì)。 永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場(chǎng)。當(dāng)定子通以三相對(duì)稱的正弦波交流電時(shí)， 則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。兩種磁場(chǎng)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， 就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。圖2-1(a)凸極式 圖2-1(b)嵌入式2.2永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型三相定子坐標(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(shì)。由此可得到定子電壓方程為：標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案UARsIApUBRsIBpUCRsICp

AB（2-4）C其中：UAUBUC為三相繞組相電壓；Rs為每相繞組電阻；IAIB IC為三相繞組相電流；BC為三相繞組匝鏈的磁鏈；P=d/dt為微分算子。（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(chǎng)和轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，因此磁鏈方程可以表示為：ALAAIAMABIBMACICfABMBAIALBBIBMBCICfB（2-5）CMCAIAMCBIBLCCICfC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；并且f：定子電樞繞組最大可能匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈fAfcosfBfcos2/3（2-6）fCfcos2/3（3）轉(zhuǎn)矩方程：TemPemmpUE0sinmpU2(11)sin2（2-7）Xd2XqXd式中：ω為電角速度，Xq,Xd為交，直流同步電抗。標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案靜止坐標(biāo)系（α，β坐標(biāo)系）上的模型（1）電壓方程UsidURidt（2-8）（2）磁鏈方程111222303322（3）轉(zhuǎn)矩方程

abc（2-9）TeIPMCOS()IPMsin()（2-10）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(lái)，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(duì)稱正弦電流。現(xiàn)對(duì)其在 d,q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型描述如下：（1）電壓方程dUddtdUqdt

dRsIdrq（2-11）qRsIqrd其中：UdUq為d,q軸上的電壓分量；IdIq為d,q軸上的電流分量；為d,q坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角頻率；q為永磁體在d,q軸上的磁鏈；磁鏈方程標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案d LdId f（2-12）LqIq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；IdIq為d,q軸上的電流分量；為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；電磁轉(zhuǎn)矩方程Tem pn fIq fId pn fIq Ld Lq?IdIq （2-13）其中：Tem為輸出電磁轉(zhuǎn)矩；pn為磁極對(duì)數(shù)；本章對(duì)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)變換的基礎(chǔ)上，對(duì)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(chǎng)定向控制，最早是由德國(guó)西門子公司 F.Blaschke 針對(duì)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(guò)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)相媲美的控制性能。后來(lái)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)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 ,標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案電力電子技術(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。Te3n(diqqid)3n[iq(LdLq)idiq]22（2.24）由式(2.24)可知，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制最終可歸結(jié)為對(duì)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(duì)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(duì)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:Tdpmriq(2-7)當(dāng)忽略電樞電阻時(shí)，功率因數(shù) :cos coso (2-8)圖2-2中。 r實(shí)際上代表空載時(shí)電動(dòng)機(jī)的端電壓， o則代表系統(tǒng)帶載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)端電壓。設(shè)兩者之比為 K,,，且有Ld=Lq=L，則標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案Kv13(L)2Ip2(2-9)r軸usaRisriq00a0d軸r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 ，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(Vd2Vq2)(Id2Iq2)來(lái)表示(2-11)此處有S3KvrIp(2-12)由上式可以看出，采用 id 0控制方式，無(wú)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(duì)逆變器容量的要求增高。另外，該方法未能充分利用電機(jī)的力矩輸出能力，標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案在輸出轉(zhuǎn)矩中磁阻反應(yīng)轉(zhuǎn)矩為 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(duì)一給定電磁轉(zhuǎn)矩求出最小電流對(duì)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：isid2iq2（2.25）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(wèn)題，即電流矢量應(yīng)滿足（2.26）。(Te/is)0id（2.26）(Te/is)0iq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(wú)法滿足， 因此常采用離線計(jì)算出不同電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的交、直軸電流，以表格的形式存放于 DSP中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)負(fù)載情況查表求得對(duì)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(kāi)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ǎ?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(lái)自他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)磁控制。 對(duì)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。標(biāo)準(zhǔn)文檔實(shí)用文案永磁同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)由永磁體產(chǎn)生， 無(wú)法像他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)那樣通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)弱磁。傳統(tǒng)方法是通過(guò)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(guò)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(wú)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(lái)看，按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向并按