1、12 伺服系統概述伺服系統概述永磁同步電機結構和工作原理永磁同步電機結構和工作原理永磁同步電機的數學模型永磁同步電機的數學模型永磁同步電機的控制方式永磁同步電機的控制方式 PMSM的轉子磁場定向矢量控制的轉子磁場定向矢量控制總結總結永磁同步電機的優勢與應用永磁同步電機的優勢與應用12 伺服系統概述伺服系統概述1. 永磁同步電機的結構和工作原理永磁同步電機的結構和工作原理1.1 永磁同步電機（永磁同步電機（PermanentMagneticSynchronousMachine）的結構）的結構1）永磁同步電機的結構主要包括定子、轉子及測量轉子位置的傳感器。2）定子采用三相對稱繞組結構，它們的軸線在

2、空間彼此相差120度。3）轉子上貼有磁性體，一般有兩對以上的磁極。4）位置傳感器一般為光電編碼器或旋轉變壓器 。圖1-1 定子三相對稱繞組結構12 伺服系統概述伺服系統概述1.2 永磁同步電機的工作原理永磁同步電機的工作原理當電機對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉子氣隙中建立起旋轉磁場，其轉速為:式中f 電源頻率； p定子極對數；轉子為永磁體且n與ns相同（同步）；磁場的轉速正比于電源頻率，反比于定子的極對數。磁場的旋轉方向取決于繞組電流的相序。由于電磁感應作用，閉合的轉子導體內將產生感應電流。這個電流產生的磁場和定子繞組產生的旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩，從而使轉子（永磁體

3、）“跟著”定子磁場旋轉起來，其轉速為n。如果能改變定子三相電源的頻率和相位,就可以改變轉子的速度和位置。60rpmpsfnn12 伺服系統概述伺服系統概述 為了使得永磁同步電動機具有正弦波感應電動勢波形,其轉子磁鋼形狀呈拋物線狀,使其氣隙中產生的磁通密度盡量呈正弦分布。定子電樞采用短距分布式繞組,能最大限度地消除諧波磁動勢。圖1-2 旋轉磁動勢波形圖12 伺服系統概述伺服系統概述2. 永磁同步電機的優勢與應用永磁同步電機的優勢與應用2.1 永磁同步電動機的優勢永磁同步電動機的優勢我國電動機保有量大，消耗電能大，設備老化，效率較低。永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高、功率因數高、起動力

4、矩大、力能指標好、溫升低等特點。12 伺服系統概述伺服系統概述永磁同步電機相比交流異步電機優勢：（1）效率高、更加省電。由于永磁同步電機的磁場是由永磁體產生的，從而避免通過勵磁電流來產生磁場而導致的勵磁損耗。永磁同步電機的外特性效率曲線相比異步電機，其在輕載時效率值要高很多，這是永磁同步電機在節能方面，相比異步電機最大的一個優勢。由于永磁同步電機功率因數高，這樣相比異步電機其電機電流更小，相應地電機的定子銅耗更小，效率也更高。永磁電機參數，不受電機極數的影響，因此便于設計成多極電機，這樣對于傳統需要通過減速箱來驅動負載電機，可以做成直接用永磁同步電機驅動的直驅系統，從而省去了減速箱，提高了傳動

5、效率。12 伺服系統概述伺服系統概述（2）電機結構簡單靈活。由于異步電機轉子上需要安裝導條、端環或轉子繞組，大大限制了異步電機結構的靈活性，而永磁同步電機轉子結構設計更為靈活，如對鐵路牽引電機，可以將電機轉子的磁鋼可直接安裝在機車輪對的轉軸上，從而省去了減速齒輪箱，結構大為簡化。由于永磁同步變頻調速電機參數不受電機極數的限制，便于實現電機直接驅動負載，省去噪音大，故障率高的減速箱，增加了機械傳動系統設計的靈活性。（3）可靠性高。從電機本體來對比，永磁同步變頻調速電機與異步電機的可靠性相當，但由于永磁同步電機結構的靈活性，便于實現直接驅動負載，省去可靠性不高的減速箱。在某些負載條件下甚至可以將電

6、機設計在其驅動裝置的內部，從而可以省去傳統電機故障率高的軸承，大大提高了傳動系統的可靠性。12 伺服系統概述伺服系統概述（4）體積小，功率密度大。永磁同步變頻調速電機體積小，功率密度大的優勢，集中體現在驅動低速大扭矩的負載時，一個是電機的極數的增多，電機體積可以縮小。電機效率的增高，相應地損耗降低，電機溫升減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，電機的體積可以設計的更?。浑姍C結構的靈活性，可以省去電機內許多無效部分，如繞組端部，轉子端環等，相應體積可以更小。（5）起動力矩大、噪音小、溫升低。永磁同步電機在低頻的時候仍能保持良好的工作狀態，低頻時的輸出力矩較異步電機大，運行時的噪音小。轉子無電阻損耗

7、，定子繞組幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低，同體積、同重量的永磁電機功率可提高30%左右；同功率容量的永磁電機體積、重量、所用材料可減少30%。12 伺服系統概述伺服系統概述2.2 永磁同步電機的應用案例永磁同步電機的應用案例基于永磁同步電機上述眾多優勢，特別在目前國家“節能減排”的大背景下，其應用前景極為廣闊。隨著永磁體及永磁同步電機控制技術的日益成熟可靠，其應用范圍基本上可以覆蓋目前應用電機所有領域。12 伺服系統概述伺服系統概述電梯領域電梯領域永磁同步電機產生較小的諧波噪聲，應用于電梯系統中，可以帶來更佳的舒適感。12 伺服系統概述伺服系統概述電動汽車電動汽車伴隨汽車工業的急速發展，環

8、保問題也越來越嚴重，為了解決上述問題，并且大幅改善燃油經濟型，毫無疑問就是使用電動汽車。永磁同步電機以其高效率、高功率因數和高功率密度等優點，正逐漸成為電動汽車驅動系統的主流電機之一。12 伺服系統概述伺服系統概述軌道交通領域軌道交通領域2007年，阿爾斯通公司研發的新一代永磁牽引電機系統的高速AGV列車V150，創下列車速度世界新紀錄574.8km/h。2015年6月24日，歷時11年，累計1000萬次試驗，積累150G數據，耗資1億元，中國中車旗下株洲電力機車研究所有限公司攻克了第三代軌道交通牽引技術，即永磁同步電機牽引系統，掌握完全自主知識產權，成為中國高鐵制勝市場的一大戰略利器。12

9、伺服系統概述伺服系統概述家電行業領域家電行業領域由于永磁電機在低運轉時效率極高，可以有效的降低頻繁啟動的損耗，是實現家電節能的較佳技術途徑之一。 12 伺服系統概述伺服系統概述船舶電力推進領域船舶電力推進領域推進電機是船舶綜合電力系統的重要組成部分、永磁同步推進電機具有體積小、重量輕、效率高、噪聲低、易于實現集中遙控、可靠性高、可維護性好等優點，是船舶推進電機的理想選擇。12 伺服系統概述伺服系統概述3. 永磁同步電機的數學模型永磁同步電機的數學模型3.1 在靜止坐標系下的數學模型在靜止坐標系下的數學模型電機的數學模型中含有時變參數，給分析和計算帶來困難。為了簡化永磁同步電機的數學模型，首先對

10、電機做如下假設：1）忽略鐵心飽和；2）忽略電機繞組漏感；3）轉子上沒有阻尼繞組；4）永磁材料的電導率為零；5）不計渦流和磁滯損耗；6) 定子相繞組的感應電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。12 伺服系統概述伺服系統概述永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣有三相對稱繞組，轉子上安裝有永磁體，定子和轉子通過氣隙磁場存在電磁耦合關系。永磁同步電機的定子磁鏈是由定子三相繞組電流和轉子永磁極產生，定子三相繞組電流產生的磁鏈與轉子位置角有關，轉子永磁極產生的磁鏈也與轉子位置有關，轉子永磁極在每相繞組中產生反電勢。12 伺服系統概述伺服系統概述三相

11、永磁同步電機在定子靜止三相坐標系下的磁鏈方程為:式中：A、B、C (Psi )定子三相繞組磁鏈;LAA、LBB、LCC定子三相繞組自感系數;MXT 定子繞組和繞組的互感系數;f 永磁磁極與定子繞組交鏈的最大磁鏈。定子繞組的自感系數LAA、LBB、LCC 和互感系數MXT 均為的函數,且互感系數滿足關系MAB=MBA、MBC=MCB、MCA=MAC。12 伺服系統概述伺服系統概述三相永磁同步電機在定子靜止三相坐標系下的電壓方程為:式中:uA、uB、uC定子相電壓;r 定子繞組每相電阻;iA、iB、iC定子相電流。由永磁同步電機的電磁關系可知,其磁鏈方程和電壓方程是一組變系數微分方程,微分方程的系

12、數隨著定轉子的相對位置變化而變化,是時間的函數。12 伺服系統概述伺服系統概述3.2 PMSM在在 dq0 坐標系下的數學模型坐標系下的數學模型二十世紀年代,由采用坐標變換將同步電機定子坐標系下的各個變量等效變換為轉子坐標系下的變量,消除了同步電機數學模型中的時變系數,建立了著名的Park方程,從而為研究和分析永磁同步電機提供了理論基礎。轉子磁場定向控制實際上是將 dq0 同步旋轉坐標系放在轉子上隨轉子同步旋轉。其d 軸與轉子的磁場方向重合(定向),q 軸逆時針超前d 軸90o電角度如圖所示定子 ABC 坐標系與轉子dq0坐標系的關系。圖3-1 定子坐標系與轉子坐標系的關系12 伺服系統概述伺

13、服系統概述ABC 坐標系與轉子dq0 坐標系互換關系如：上述變換關系同樣適用于電流和磁鏈變量變換,對于平衡系統,若兩參考坐標系間的輸入功率滿足下述條件:即變換結果,兩個參考坐標的總功率不變,則由參考坐標計算所得的電磁轉矩,就是電動機的實際轉矩。12 伺服系統概述伺服系統概述在前述假設條件下,進行坐標變換,則可以得到在坐標系下的數學模型,其中磁鏈、電壓、電磁轉矩和機械運動方程如下: 磁鏈方程 電壓方程 電磁轉矩方程 機械運動方程上述方程中：Ld 、Lq 永磁同步電機定子繞組的直、交軸主電感;id 、iq 分別為定子電流矢量的直、交軸分量;p =d/dt 微分算子; 電角頻率。最終得到：12 伺服

14、系統概述伺服系統概述4. 永磁同步電機的控制方式永磁同步電機的控制方式永磁同步電機是強耦合、時變的非線性系統，其控制策略也比較復雜。其控制性能同所采用的控制策略有直接的關系。目前針對永磁同步電機的控制策略主要有轉速開環恒壓頻比(V/f為常數)控制、矢量控制、直接轉矩控制、自適應控制、滑模變結構控制和智能控制等，各有優缺點，根據實際的需要，可以選擇不同的方式來控制電機。1）轉速開環恒壓頻比(V/f)控制開環恒壓頻比控制保證輸出電壓跟頻率成正比的控制這樣可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生。永磁同步電機調速的關鍵是對其轉矩進行控制，開環恒壓頻比控制只是控制了電機的氣隙磁通，而不能

15、動態調節其轉矩，所以實際控制性能較差，且負載和速度指令不能突然變化，否則容易造成永磁同步電動的失步，使電動機停止運轉，甚至會出現永磁體失磁，損壞電動機。12 伺服系統概述伺服系統概述2）直接轉矩控制直接轉矩控制基本思想是通過控制定子磁鏈來實現轉矩的直接控制。其特點是不使用坐標變換,不需要將交流電機與直流電機作比較、等效和轉換,不需要為解耦而簡化交流電機的數學模型,只是在定子坐標下分析交流電機的數學模型,強調對電機的轉矩進行直接控制。其缺點是在低速和帶負載方面性能較差,而且由于它對實時性要求高、計算量大,對控制系統微處理器的性能要求也較高。3）自適應控制在電機控制中，自適應控制包括模型參考自適應

16、控制、參數辨識自校正控制和非線性自適應控制。自適應控制需要在線獲得控制所需的有關模型和擾動的信息，并不斷地在系統運行中分析這些信息，所以它對模型參數的依賴性較小，可以克服電機參數變化對控制精度的影響。其缺點是運算復雜，實時性較差。12 伺服系統概述伺服系統概述4）轉子磁場定向矢量控制 轉子磁場定向的矢量控制方式是永磁同步電機使用較為廣泛的一種控制方式其基本原理是通過坐標變換,在轉子磁場定向的同步坐標系上對電機的磁場電流和轉矩電流進行解耦控制,使其具有和傳統直流電動機相同的運行性能。矢量控制的提出是交流電機控制發展的一個里程碑。其基本思想是通過坐標變換，將定子三相繞組電流分解到以轉子磁場定向的轉

17、子軸系上，分解得到電機的磁場電流和轉矩電流。再對電機的磁場電流和轉矩電流進行解禍控制，使其具有和傳統直流電機同樣優良的運行性能和調節性能。其缺點是對控制參數較敏感，需要復雜的坐標變換等不足。12 伺服系統概述伺服系統概述5. PMSM的矢量控制的矢量控制由永磁同步電機在轉子坐標系的轉矩方程可知,轉矩由兩項組成,第一項是由三相旋轉磁場和永磁磁場相互作用所產生的電磁轉矩,與交軸電流iq成正比;第二項是由凸極效應引起的磁阻轉矩,它是由d、q 軸同步電感的不同造成的,且與d、q 軸電流的乘積成正比。對于嵌入式永磁同步電機,一般Lq Ld ;對于凸裝式轉子結構的永磁同步電機,轉子磁路對稱Lq = Ld

18、,磁阻轉矩為零。12 伺服系統概述伺服系統概述在轉速為基速以下時,在定子電流給定情況下,控制id = 0 ,可以更有效的產生轉矩,可進一步簡化為:因此當三相合成的電流矢量與d 軸的夾角等于90時可以獲得最大轉矩,此時:12 伺服系統概述伺服系統概述目前,在永磁交流伺服系統中,id = 0矢量控制是主要的控制方式。實現的前提是準確地檢測轉子磁極空間位置d 軸,通過控制逆變器功率開關器件導通關斷,使定子合成電流位于q 軸,此時軸定子電流分量為零,永磁同步電動機電磁轉矩正比于轉矩電流值,即正比于定子電流幅值,只需控制定子電流大小,就可以很好地控制永磁同步電動機的輸出電磁轉矩,實現矢量控制。然而轉速在基速以上時,因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數,電動機感應電動勢隨著電機轉速成正比例增加。電動機感應電壓也跟著提高,但是又要受到與電機端相連的逆變器的電壓上限的限制,所以必須進行弱磁升速。通過控制id 來控制磁鏈,通過控制iq 來控制轉速,實現矢量控制。12 伺服系統概述伺服系統概述下圖是永磁同步電機的id = 0的矢量控制原理框圖。圖5-1 永磁同步電機的矢量控制原理框圖12 伺服系統概述伺服系統概述永磁同步電機矢量控制系統主要由下面幾部分組成:1）轉子磁極位置檢測和速度計算模塊;2）速度