【正文】 下的應(yīng)用，而第二類方法基于高頻信號注入、利用電動機(jī)的凸極效應(yīng) (固有或飽和 )跟蹤轉(zhuǎn)子的位置，擺脫了運行狀況的限制，是本章重點討論的內(nèi)容。下面將對如何提取轉(zhuǎn)子凸極位置信息進(jìn)行分析研究。要探討旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法的原理，必須首先建立旋轉(zhuǎn)高頻信號激勵下永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。雖然這些方法對參數(shù)變化和測量噪聲具有較強(qiáng)的魯棒性，但是復(fù)雜的算法、繁重的計算量及對系統(tǒng)控制所需的專家知識卻大大限制了這些方法在實際中的應(yīng)用。這種方法采用在電動機(jī)出線端注入高頻電壓 (或電流 )信號的方法，跟蹤電動機(jī)內(nèi)部固有的或認(rèn)為的不對稱性 (凸極性 )，檢測高頻電流 (或電壓 )響應(yīng)來獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信息?？柭鼮V波器法中的協(xié)方差矩陣初值要憑經(jīng)驗試湊得出，可先由計算機(jī)仿真得到較接近的值。由滑動模的存在條件可解出開關(guān)增益的范圍?；谟^測器的估算方法又可細(xì) 分為下面四種方法： ① 自適應(yīng)觀測器方法 它是基于穩(wěn)定性設(shè)計的參數(shù)辨識方法，存在自適應(yīng)律的合理選擇問題。假定在每個估算周期內(nèi)電流，位置均不變，在估計坐標(biāo)系 deqe下可得“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”電壓方程，再由這個方程可以很容易地反解出Δ，估算式中的電機(jī)參數(shù)只有定子電阻一項，計算量大為減少。 文獻(xiàn) [11]采用瞬時電壓作為狀態(tài)變量。這些表達(dá)式 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 只是變化的電壓，電流的函數(shù)，定子電阻和交直軸電感都假定不變的。實驗表明，這種方法在高速和低速時都有較好的跟蹤性能。一般交軸電感 Lq 遠(yuǎn)大于直軸電感 Ld，兩者之比可達(dá) 。其中復(fù)合式光電編碼器就是較常用 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 的一種，它帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器。 3） 光電編碼器 光電編碼器與前兩種檢測元件相比有明顯的優(yōu)點，如數(shù) 字量信號輸出、慣量低、噪聲低、高精度、高分辨率、制作簡便、成本低等。角度為一個周期的，因此也成為絕對位置傳感器。 直接式位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、磁編碼器、光電編碼器等元件。 在空載情況下，當(dāng) d 軸和 A 相軸線的夾角分別為 θ=0 和 θ=π 時 A 相繞組交鏈的永磁體磁通最多，飽和度最高， al 最??； θ=π/2和 θ=3π/2時，永磁磁通路徑與 A相軸線正交， A 相磁路最不飽和， al 最大。 磁路結(jié)構(gòu)對數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的影響 由于永磁體磁導(dǎo)率很小，因此與電勵磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)相比永磁同步電機(jī)繞組電感較小。三相繞組與兩相繞組在氣隙中產(chǎn)生的磁勢是一致的，并且磁勢為一旋轉(zhuǎn)磁勢，旋轉(zhuǎn)角速度為電源電流 (電壓 )的角速度。 圖 32 所示是常用的三個坐標(biāo)軸系，即靜止三相坐標(biāo)軸系、靜止 αβ 坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)軸系的示意圖，其中 θ 是兩相靜止 αβ坐標(biāo)系 α 軸和同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系 d 軸之間的夾角。由三相交流電 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁 場 N S1 。而永磁同步電機(jī)的 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，僅需要電機(jī)的功角適當(dāng)改變， 而轉(zhuǎn)速維持在原來的同步轉(zhuǎn)速不變，則轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量不會影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上，使永磁同步電機(jī)非常適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的場合下運行 ； 2. 永磁同步電機(jī)具有高功率因數(shù)和高效率，顯示出明顯的節(jié)能效果。圖26 所示為兩種典型的切向式 轉(zhuǎn) 子磁極結(jié)構(gòu)，其中圖 a)所示切向結(jié)構(gòu)永磁體內(nèi)側(cè)采用非磁性套筒或非磁性轉(zhuǎn)軸；圖 b)所示切向 結(jié)構(gòu)利用空氣隙隔磁，省去了圖 a)中的隔磁套，轉(zhuǎn)子沖片具有整體性，當(dāng)勵磁不足時還可在隔磁槽中放置永磁體來增加勵磁。這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，永磁體提供磁通的方向為徑向，且永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間一般僅套以起保護(hù)作用的非磁性圓筒，或在永磁磁極表面包以無緯玻璃絲帶作保護(hù)層。 轉(zhuǎn)子籠型繞組有銅導(dǎo)條焊接式和鑄鋁式兩種。 籠型永磁轉(zhuǎn)子是最常見的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由 ，上面沖有均勻分布的槽，通常采用半閉口槽，如圖 23a)~d)所示。為減小磁場引起的渦流損耗和磁滯損耗，定子鐵心通常由 厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，內(nèi)嵌二相對稱繞組。由于鐵、硼的價格便宜，且不含鉆，因此釹鐵硼的價格比稀土鈷便宜得多。另一方面，促使永磁電機(jī)的設(shè)計理論、計算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的研究工作出現(xiàn)了嶄新的局面 [2]。計算分析了 U形永磁 體轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步電動機(jī)的隔磁措施對極間漏磁系數(shù)的影響。 從 80 年代起，國內(nèi)學(xué)者對永磁電機(jī)也進(jìn)行了大量的研究，沈陽工業(yè)大學(xué)特種電機(jī)研究所的唐任遠(yuǎn)教授編著的《現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計》一書中采用以等效磁路解析求解為主，結(jié)合磁場數(shù)值計算的方法對多種永磁電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計進(jìn)行了研究，總結(jié)了近年來永磁電機(jī)的研究成果。 1983 年，英國著名學(xué)者 在墨西哥 IEEE 會議上首次提出異步起動永磁同步電動機(jī)的概念，并于次年在雜志上發(fā)表文章對異步起動永磁同步電動機(jī)的工作原理進(jìn)行了簡要闡述。 綜上所述，由數(shù)字信號處理器技術(shù)和無機(jī)械傳感器技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)的永磁同步電機(jī)全數(shù)字化交流驅(qū)動系統(tǒng)己成為運動控制領(lǐng)域的一項重要研究內(nèi)容 [1]。它利用檢測出來的電機(jī)電壓、電流和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一些運算來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，具有不改 造電機(jī)結(jié)構(gòu)、省去昂貴的機(jī)械傳感器、降低維護(hù)費用和不怕粉塵與潮濕等優(yōu)點。 矢量控制是高性能的永磁電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)中主要采用的控制方法。 現(xiàn)代電機(jī)調(diào)速技術(shù)是一門比較復(fù)雜的交叉技術(shù)，涉及的領(lǐng)域廣泛，包括電機(jī)、電力電子技術(shù)、控制理論、計算機(jī)技術(shù)與仿真等幾個方面。 介紹了永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測的常用方法 分兩種：即 直接 方式檢測和間接方式檢測。 中 國 礦 業(yè) 大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè) 計 設(shè)計題目： 永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級 電氣 074 學(xué)生姓名 陸朝陽 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 ： 2020 年 3 月 8 日 畢業(yè)設(shè)計日期： 2020 年 3 月 10 日至 2020 年 6 月 10 日 畢業(yè)設(shè)計題目： 永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識 畢業(yè)設(shè)計專題題目： 畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求： 1. 掌握 永磁同步電 動 機(jī) 的工作原理； 2. 永 磁同步電 動 機(jī) 的轉(zhuǎn)子位置辨識意義； 3. 分析比較各種轉(zhuǎn)子位置辨識方法； 4. 設(shè)計轉(zhuǎn)子位置辨識系統(tǒng)。直接方式可分為：旋轉(zhuǎn)變壓器法、磁編碼器法、光電編碼器法；間接方式可分為：電感法、磁鏈法、假想坐標(biāo)系法、基于各種觀測器的估算方法、卡爾曼濾波器法、高頻注入法和 人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法 。近四十年來，電機(jī)調(diào)速技術(shù)在世界上得到了蓬勃發(fā)展，特別是電力電子器件技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，如不斷出現(xiàn)了 SCR， GTO， GTR， IGBT 等新器件。交流電機(jī)矢量控制是 1971 年由德國 Blaschke 等人提出的，它從理論上解決了交流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的高性能控制問題。隨著控制理論以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無速度傳感器控制技術(shù)得到廣泛重視。 永磁同步電動 機(jī) 的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 世界上第一臺永磁電機(jī)是 1831 年發(fā)明的，但是由于當(dāng)時采用的天然磁鐵磁性能太差，電機(jī)的磁能積不足而很快被電勵磁電機(jī)所取代。 1987 年， Tommy Sebastian 發(fā)表了一篇關(guān)于永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)建模 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 的文章，從理論上系統(tǒng)分析了永磁同步電動機(jī)利用 PARK 模型隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的d,q,0 系統(tǒng)。西北工業(yè)大學(xué)李鐘明、劉衛(wèi)國等編著的《稀土永磁電機(jī)》中闡述了稀土永磁電機(jī)的特殊性，全面介紹了各類永磁電機(jī)的理論和設(shè)計技術(shù)。 2020 年，竇滿鋒等發(fā)表高效節(jié)能稀土永磁同步電動機(jī)設(shè)計技術(shù)研究的文章。 永 磁材料的發(fā)展 電機(jī)是以氣隙磁場為媒介進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換的裝置，傳統(tǒng)異步電機(jī)的氣隙磁場是由定子電流形成的，而永磁體的 出現(xiàn)使電機(jī)勵磁機(jī)理發(fā)生了根本性的變化。因此自從問世以來，釹鐵硼在工業(yè)和民用的永磁同步電機(jī)中迅速得到推廣應(yīng)用。定子槽型通常采用半閉口槽，如圖 22 所示，其中梨形槽的槽面積利用率高，沖模壽命長，且 槽絕緣的彎曲程度較小，不易損傷，應(yīng)用廣泛。小功率電動機(jī)可采用圖 23a) 、圖 23b)所示的槽型。前者在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)插入銅導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子鐵心兩端各放置一個銅端環(huán)，將銅端環(huán)和導(dǎo)條焊接在一起 ； 后者采用離心鑄鋁或壓力鑄鋁工藝，將導(dǎo)條、風(fēng)扇和端環(huán)一次鑄出。當(dāng)極數(shù)較少時，每極永磁體圓弧角度較大，材料利用率低、加工困難，可以采用拼塊式結(jié)構(gòu)，由多塊永 磁體拼成整個磁極。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 a) b) 1— 轉(zhuǎn)軸； 2— 空氣隔磁槽； 3— 永磁體； 4— 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 圖 26 內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu) c．混合式結(jié)構(gòu) 混合式結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝均較復(fù)雜，制造成本較高。永磁同步電機(jī)用永磁體代替電勵磁，無勵磁損耗，由于定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心沒有鐵耗，因此永磁同步電機(jī)的效率較電勵磁同步電機(jī)和異步電機(jī)高，且不需要從電網(wǎng)吸取滯后的勵磁電流，從而節(jié)約了無功功率，提高了電機(jī)的功率因數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為 11 60fn p? 。三個軸系的位置及相互間關(guān)系按 MATLAB 中慣例來設(shè)置，本論文中所涉及的坐標(biāo)軸系如無特殊說明均遵循這一慣例。 定義 /dqC?? 為兩相靜止 αβ坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系的變換矩陣 /c o s ( ) s i n ( )s i n ( ) c o s ( )dqC ??????? ????? （ ） /dqC ?? 是同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系到兩相靜止 αβ 坐標(biāo)系的變換矩陣 /c o s ( ) s i n ( )s i n ( ) c o s ( )dqC ???????? ???? （ ） 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 電機(jī)轉(zhuǎn)子ABC??qd??sIsdi sqi 圖 33 定子、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系 為了便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型時，假設(shè)以下參數(shù)： 1. 忽略電動機(jī)的鐵心飽和； 2. 不計電機(jī)中的渦流和磁滯損耗； 3. 定子和轉(zhuǎn)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓按正弦分布，即忽略磁場中所有的空間諧波； 4. 各相繞組對稱，即各相繞組的匝數(shù) 與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度。且電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，其 d 軸電感比 q 軸電感要大。其變化曲線大致如圖 所示，即在平均分量上疊加了一個二次諧波分量 [6]。 1） 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓 器是一種微特電機(jī)，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。在正弦波無刷直流 電動機(jī)中，也往往采用與電動機(jī)同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器，這樣位置信號與電動機(jī)的驅(qū)動信號可以具有相同的電周期，存在以一一對應(yīng)關(guān)系。 其缺點是不耐沖擊及振動，容易受溫度變化影響，適應(yīng)環(huán)境能力較差 。它輸出兩組信息 :一組信息為 A、 B, Z 與增量式光電編碼器的輸出信號完全相同，其中 A 和 B 信號互差 90176。因此，繞組電感可看作為轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，利用這一點可估計出轉(zhuǎn)子的位置。但負(fù)載電流增大時，誤差明顯隨之增大，因而需采取補(bǔ)償措施。利用這種方法還可估算出轉(zhuǎn)子在靜止時的初始位置。在理想條件下，假定位置估計值與實際值相等，控制器據(jù)此及測得的電流值由瞬時電壓方程算出電壓指令（理想值），而實際電壓可以測量得到；也可以根據(jù) PWM 方式，功率管的死區(qū)時間和直流側(cè)電壓值計算出來，這樣可免去電壓傳感器。這種算法不會引起誤差積累，可補(bǔ)償參數(shù)變化和非線性帶來的影響，有較強(qiáng)的魯棒性。如何替代廣泛使用的 PI 自適應(yīng)律，在提高收斂速度的同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對參數(shù)的魯棒性是這種方法需要深入研究的方向。此文獻(xiàn)還給出了最惡劣情況下滑模存在的開關(guān)增益表達(dá)式及仿真結(jié)果。另外，由于矩陣中含有大量的零元，必須采取特殊的存儲技術(shù)和算法，以節(jié)省內(nèi)存和時間，從而降低成本。由于依賴外加高頻激勵信號來顯示凸極性，與電動機(jī)運行工況無關(guān)，使得這種方法能夠應(yīng)用在很寬的速度范圍內(nèi)，解決低速甚至零速下轉(zhuǎn)子位置和速度的估計問題，具有良好的應(yīng)用前景[1 18]。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 第五章 旋轉(zhuǎn)高頻注入法的原理及應(yīng)用 永磁同步電動機(jī)具有三相定子分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證其電樞反電勢波形為正弦，外施的定子電壓和電流一般靠 PWM 變頻器來提供。 在 節(jié)討論了永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，利用 PARK變換可以得到永磁同步電機(jī)在兩相靜止 αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下： 00c o s 2 s in 2s in 2 c o s 2su i iL L LRpu i iL L L? ? ?? ? ?????? ? ?? ? ? ? ?