【文章內(nèi)容簡介】 ，可以看到各種永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差異很大，但是由于永磁材料的使用，永磁同步電機具有以下幾種特點：1. 電機轉(zhuǎn)速與電源頻率始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制頻率就能控制轉(zhuǎn)速；2. 永磁同步電機具有較硬的機械特性，對于因負(fù)載變化而引起的電機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力；3. 永磁同步電機轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵無需勵磁，因此電機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬。 與其它電機相比，永磁同步電機具有以下優(yōu)點：1. 電機電磁轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)小，運行平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)快，過載能力強。永磁同步電機比異步電機對電壓和轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受能力。異步電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，要求電機轉(zhuǎn)差也跟隨變化，也就是轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量阻礙轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化，降低了響應(yīng)頻率。而永磁同步電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，僅需要電機的功角適當(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. 永磁同步電機具有高功率因數(shù)和高效率，顯示出明顯的節(jié)能效果。永磁同步電機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，因此永磁同步電機的效率較電勵磁同步電機和異步電機高，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，提高了電機的功率因數(shù)。永磁同步電機在25%120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的功率因數(shù)和效率，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著，在長期使用過程中可大幅度地節(jié)省電能；3. 稀土永磁同步電機較異步電機尺寸大大減少，重量較輕，且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大大簡化，提高了電機運行的穩(wěn)定性；4. 結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣化，衍生出許多特點和性能各異的品種，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國防，從日常生活到航空航天，從簡單電動工具到高科技產(chǎn)品，幾乎處處涉及；5. 永磁同步電機沒有電刷，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的可靠性高。由于永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為梯形波，被成為無刷直流電機（Brushless DC Motor, BLDCM）；另一種為正弦波，被成為永磁同步電動機（Permanent magnet synchronous Machine, PMSM）。本文主要針對的是 PMSM [3]。第三章 永磁同步電動機的工作原理及數(shù)學(xué)模型圖31 永磁同步電動機工作原理示意圖當(dāng)永磁同步電動機的定子三相對稱繞組通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場N S1 。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為。由于轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生恒定磁場N S2 。定子磁場N S1 與轉(zhuǎn)子磁場N S2 之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。 坐標(biāo)變換原理大多數(shù)常用的交流電機都是三相電機，但我們在進(jìn)行分析計算時經(jīng)常使用的是靜止αβ坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)軸系，因此必須進(jìn)行三相到兩相之間，兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)之間的變換。三相對稱繞組通過對稱三相電流將產(chǎn)生幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場。然而這個恒定幅值的磁場也可由兩相對稱繞組中的對稱兩相電流來產(chǎn)生。事實上，一組對稱多相電流量是可以用另外一組多相電流來代替，只要它們產(chǎn)生的磁場(包括幅值和分布)在任何時刻都是相同的，那么這種代替就是等效的[4]。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。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。圖32 三種常用坐標(biāo)軸系為滿足三相繞組的合成磁勢與兩相繞組的合成磁勢相等的原則，定義C3/2為三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止αβ坐標(biāo)系的變換矩陣(以下簡稱3/2變換矩陣)得： （）其中NN3分別是三相繞組和兩相繞組每相的有效匝數(shù)，矩陣存在第三行是因為考慮三相電流之和不等于零，兩相坐標(biāo)軸系中存在零序電流i0。 由兩相定子坐標(biāo)系到三相定子坐標(biāo)系變換矩陣(以下簡稱2/3變換矩陣)可以由3/2變換矩陣求逆獲得： （） 在變換過程中，保持了矢量的幅值不變。如果在變換過程中還要滿足保持功率不變條件，并使電流電壓具有同一變換矩陣，則變換矩陣系數(shù)等于，可得。 （）當(dāng)A、B、C各相繞組上的電壓與電流分別為相位互差120176。的正弦時，在αβ繞組上的電壓與電流為相位互差90176。的正弦。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。定義為兩相靜止αβ坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的變換矩陣 （）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 （）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. 忽略電動機的鐵心飽和；2. 不計電機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。在分析同步電動機的數(shù)學(xué)模型時，常采用兩相同步旋轉(zhuǎn)(d，q)坐標(biāo)系和兩相靜止(α，β)坐標(biāo)系。圖33給出永磁同步電動機在(d，q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。(1) 定子電壓方程為： （） （） 式中：r為定子繞組電阻；p為微分算子，p=d/dt；id，iq為定子電流；ud，uq為定子電壓；ψd，ψq分別為磁鏈在d，q軸上的分量；ωf為轉(zhuǎn)子角速度(ω=ωfnp)；np為電動機極對數(shù)。(2) 定子磁鏈方程為： () ()式中：ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈。（3）電磁轉(zhuǎn)矩為： ()（4）電動機的運動方程為： ()式中：J為電機的轉(zhuǎn)動慣量。若電動機為隱極電動機，則Ld=Lq，選取id，iq及電動機機械角速度ω為狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動機的狀態(tài)方程式為： （）由式()可見，三相永磁同步電動機是一個多變量系統(tǒng)，而且id，iq，ω之間存在非線性耦合關(guān)系，要想實現(xiàn)對三相永磁同步電機的高性能控制，是一個頗具挑戰(zhàn)性的課題[5]。由于永磁體磁導(dǎo)率很小，因此與電勵磁結(jié)構(gòu)的電機相比永磁同步電機繞組電感較小。且電勵磁同步電機轉(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。但對于永磁同步電機，其d軸磁路中的永磁體磁導(dǎo)率和空氣差不多，故其d軸磁阻較大，相反q軸磁路中的鐵心磁導(dǎo)率很大，因此對于具有結(jié)構(gòu)凸極性的嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機其q軸的電感反而比d軸電感大。這就是由于永磁體的存在改變了磁路結(jié)構(gòu)后凸極永磁同步電機與常規(guī)電勵磁電機模型中參數(shù)的區(qū)別。面貼式永磁同步電機，如前所述，由于永磁體相對回復(fù)磁導(dǎo)率約等于1，接近于空氣，(a)的示意圖可以看出，面貼式永磁同步電機的d、q軸磁路的磁阻大小很接近，因此一般在分析面貼式永磁同步電機時把其d、q軸電感取為一樣，即認(rèn)為其電磁性能上類似與電勵磁的隱極同步電機。該結(jié)論在進(jìn)行近似分析時是成立的，但若考慮由于永磁體磁通的存在對磁路飽和度造成的影響，則該結(jié)論就不夠確切，以下對其做理論上的分析。在永磁同步電機設(shè)計中，通常使主磁路具有一定的飽和度，以提高空間的利用率，(a)所示的面貼式永磁同步電機，其d軸已處于飽和狀態(tài)，定子三相線圈的電感值是與轉(zhuǎn)子d軸位置有關(guān)的函數(shù)。以A相為例，A相繞組自感為 （）其中為A相繞組漏電感，為通過主磁路閉合的磁鏈對應(yīng)的主電感，主磁路的狀態(tài)將影響值的大小。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，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，最大。，即在平均分量上疊加了一個二次諧波分量[6]。圖34 永磁同步電動機空載情況下繞組電感曲線在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中d軸磁路處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致d軸磁阻增大，電感減小，這就是電感的飽和效應(yīng)。而且不論是在本身結(jié)構(gòu)上就具有凸極性的嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機，還是面貼式永磁同步電機都由于永磁體的作用而存在電感的飽和效應(yīng)。對嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機飽和效應(yīng)使本就不等的d、q軸電感差別增大，對于面貼式永磁同步電機則造成d、q軸電感的不等。但由于飽和效應(yīng)造成的凸極性一般較弱，因此如不考慮磁路飽和對電機性能的影響，在建立永磁同步電機數(shù)學(xué)模型時可以不考慮由此造成的d、q軸電感的變化，對于面貼式永磁同步電機可以采用。如需要考慮磁路飽和對電機的電磁性能產(chǎn)生的影響或者需要利用磁路飽和效應(yīng)造成的飽和凸極性，則在建立面貼式電機數(shù)學(xué)模型時應(yīng)取不同的d、q軸電感值進(jìn)行分析研究。第四章 永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置檢測的方法永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置的直接式檢測方法主要是指裝在轉(zhuǎn)子軸上與轉(zhuǎn)子同步運行的位置傳感器；間接式是指通過檢測電氣物理量，如電流、電壓，磁鏈和反電動勢等信號來估計辨識轉(zhuǎn)子位置。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。1）旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種微特電機，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。通過與電機轉(zhuǎn)子同軸連接的旋轉(zhuǎn)變壓器獲得調(diào)制位置信號，然后經(jīng)位模變換或軸角數(shù)字變換獲得位置轉(zhuǎn)角。這是正弦波無刷直流電動機系統(tǒng)中的位置傳感方式。目前所使用的旋轉(zhuǎn)變壓器包括普通有刷旋轉(zhuǎn)變壓器、無刷型旋轉(zhuǎn)變壓器、以及磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器等結(jié)構(gòu)。從相數(shù)上分類，常用的一般有兩相及三相旋轉(zhuǎn)變壓器兩種類型，兩相情況又稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。從轉(zhuǎn)子極數(shù)上分類，旋轉(zhuǎn)變壓器又可以分為兩極和多對極情況。兩極旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信號是以360176。角度為一個周期的，因此也成為絕對位置傳感器。在正弦波無刷直流電動機中，也往往采用與電動機同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器，這樣位置信號與電動機的驅(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。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置，但其解碼電路復(fù)雜，價格昂貴。2）磁編碼器磁編碼器數(shù)據(jù)處理電路簡單，容易實現(xiàn)多相輸出。但要獲得高分辨率，就要求有很高的機械加工精度。把增量脈沖進(jìn)行U/f變換，可以得到速度反饋信號。用增量脈沖作系統(tǒng)的定位信號，容易產(chǎn)生原點脈沖。在磁鼓的適當(dāng)部位上充磁，也可以用來檢測磁極位置。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。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。光電編碼器又分為絕對式和增量式兩種：1. 絕對式編碼器可直接輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置，不需要進(jìn)行編碼器定位。但其工藝復(fù)雜、成本高，實現(xiàn)高分辨率、高精度較為困難。2. 增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，一般在碼盤上刻A，B，Z三道均勻分布的刻線。由于其給出的位置信息是增量式的，當(dāng)系統(tǒng)初始化時需要進(jìn)行編碼器定位。光電編碼器一般由發(fā)光二極管、旋轉(zhuǎn)部分(或動光柵)、固定部分(或定光柵)和光敏元件四個部分組成。目前電梯用永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置的檢測無一例外地使用直接式法，并且全部采用是絕對式光電編碼器。其中復(fù)合式光電編碼器就是較常用的一種，它帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器。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。（電角度），通過判斷A和B的相位和個數(shù)可以得到電機的轉(zhuǎn)向和速度，Z為零位校準(zhǔn)脈沖。另一組為U，V，W三相互差120176。（電角度）用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能。間接式永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置的檢測方法又稱為無傳感器方法。無傳感器方法是因應(yīng)電機高速化、小型化的要求和一些特殊場合的要求而提出來的，它是利用永磁同步電機定子繞組的有關(guān)電信號，通過適當(dāng)方法估計出轉(zhuǎn)子的位置和速度，實現(xiàn)閉環(huán)控制。目前在無傳感器控制技術(shù)領(lǐng)域，有許多切實可行的方法，現(xiàn)將各類方法及其特點歸納如下：1） 電感法在凸極式永磁電機里，直軸與交軸的磁阻有較大差別，導(dǎo)致繞組電感變化很大。一般交軸電感Lq遠(yuǎn)大于直軸電感Ld。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。文獻(xiàn)[7]中，作者先推導(dǎo)出一種根據(jù)電機的電壓和電流間接計算電感的方法，由于需要求解自然對數(shù)，較為繁瑣。后來作者又提出一種直接計算方法，在開關(guān)頻率大于10kHz時，可保證足夠的計算精度，而計算量卻大大減少。根據(jù)計算出的電感值再查找預(yù)先準(zhǔn)備好的相電感與轉(zhuǎn)子位置對照表，即可得到轉(zhuǎn)子位置估計值。文獻(xiàn)[8]分析了永磁電機的諧波模型，導(dǎo)出了飽含轉(zhuǎn)子位置信息的電感矩陣，因此可根據(jù)電流諧波分量估算出轉(zhuǎn)子位置。實驗表明，這種方法在電機靜止或低速下誤差可在10度電角度內(nèi)。文獻(xiàn)[9]通過給q軸注入一個高頻載波信號，繞組中產(chǎn)生隨位置變化的高頻電流，在對電流信號進(jìn)行處理可得到估計位置與實際位置的誤差信號，使這個誤差為零即可得到位置估計值。實驗表明，這種方法在高速和低速時都有較好的跟蹤性能。但負(fù)載電流增大時，誤差明顯隨之增大，因而需采取補償措施。電感法對于一個電周期內(nèi)電感變化量充分大的電機來說可提供足夠精確的位置信息。然而當(dāng)電機參數(shù)變化時，電流就會發(fā)生變化，位置估計的誤差也就增大了。這種方法的缺點是不適于電感變化不規(guī)則或變化量較小的電機；在大負(fù)載下和高速運行時也存在困難。2） 磁鏈法磁鏈