永磁同步电机.doc

WORD格式整理 PAGE 专业资料 值得拥有 第5章 永磁同步电动机系统及其SPWM控制 除一些利用异步转矩或磁阻转矩起动的永磁同步电动机之外，绝大多数的永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)需要逆变器驱动以平稳起动及稳定运行。因此一般意义上的永磁同步电动机系统是指具有位置传感的、SPWM逆变器驱动的永磁同步电动机，或称为正弦波驱动的无刷直流电动机，很多的文献也直接将之简称为永磁同步电动机。 本章主要阐述永磁同步电动机即正弦波无刷直流电动机的原理及其SPWM控制。 5.1永磁同步电动机系统的构成及设计特点 5.1.1永磁同步电动机系统的 与前一章的方波无刷直流电动机相比较，虽然两者都是自同步运行的永磁同步电动机，均由永磁同步电动机、转子位置传感器和控制驱动电路三部分组成，但在运行原理上存在较大的差异。方波无刷直流电动机中，只需要若干个磁极位置处的开关信号就可以形成换相逻辑，从而产生在空间跳跃旋转的定子磁动势；通过平顶波反电动势的设计及矩形电流波形的控制，可以产生近似恒定的电磁转矩，转矩平稳性较差。而在永磁同步电动机中，为产生恒定的电磁转矩，一般采用SPWM信号驱动功率电路，在电动机三相绕组中产生正弦波的电流，从而形成连续旋转的定子圆形旋转磁场，因此需要检测连续的转子位置信息。 图5-1所示框图为永磁同步伺服电动机的基本结构之一。转子位置传感器为旋转变压器或编码器等，通过轴角变换电路或计数器等可以将连续位置传感器的输出信号变换为转角位置信号pθ。之后，在相电流指令合成电路中产生各相的电流指令信号，如式（5-1）所示。 （5-1） 式中，Ver ?输入控制指令，为速度误差信号或转矩指令信号。 相电流指令与电流负反馈信号经电流调节器处理后，生成SPWM信号控制逆变功率电路，驱动永磁同步电动机自同步运行。考虑较简单的比例电流调节器的情况。设电流调节器的比例增益为Kp，电流反馈系数为Kf，逆变功率电路的等效增益为Ks，则定子绕组三相电压为： （5-2） 对于三相半桥SPWM 逆变驱动电路，一般可以认为SPWM功率逆变电路基本可以复现调制信号的波形。忽略高次谐波，逆变功率电路的等效增益Ks可以表示为： （5-3） 式中，U为桥臂母线电压，Vt 为三角形载波信号的幅值。 - - 或 计数器等电路 电流 指令 生成 电流调节器 电流调节器 + + + 控制指令Ver 电流调节器 SPWM SPWM SPWM - - 轴角 变换 转角 θ 位置传感器 三相 PMSM 图5-1 永磁同步伺服电动机构成原理框图 对于采用表面安装磁钢结构的永磁同步电动机，忽略凸极效应，电机定子三相对称绕组的相电压方程可以表达为： （5-4） 式中，L为定子相自感，M为定子相互感。为永磁体旋转所产生的电动势。 相应电机输出的电磁力矩为 （5-5） 式(5-4)的数学模型基于电机相绕组回路，是系统时域分析的基础。 5.1. 永磁同步电动机系统的电机本体是一台永磁同步电动机，结构特点及设计与方波无刷直流电动机本体基本一致。存在的差别主要体现在气隙磁场波形及反电动势波形的设计等方面。 在永磁同步电动机中，由于电枢电流波形是正弦波，电动机反电动势波形一般也设计为正弦波形，以产生恒定的电磁转矩。因此电动机的性能在很大程度上取决于每相反电动势波形，而电动势波形则最终由气隙磁场波形所确定。为提高电机系统的效率、比功率，减小力矩波动，一般将电动机气隙磁场波形设计为正弦波。因此在电动机本体的设计中，首先存在的问题就是电动机气隙磁场的正弦化设计问题 1．气隙磁场波形的正弦化设计 对于采用表面磁钢结构的永磁无刷直流电动机，当不考虑开槽影响时，气隙磁场波形由转子磁钢的表面形状及磁化情况所确定。 定子开槽之后，气隙磁场波形发生畸变。可以视为在未开槽的气隙磁场波形之上又叠加了系列z/p次倍数变化的高次谐波。由于磁链对气隙磁通密度的积分作用，反电势波形中并不存在开槽的影响。因而只需按未开槽情况下气隙磁通密度的理想分布来确定磁极的理想形状。 由理想的气隙磁通密度波形确定磁钢形状问题是一个二维电磁场的反问题。电磁场反问题一般可以分为求解表征媒(介)质特性的参数值或媒(介)质交界面的几何条件、场源区域内场源的密度或场源区域的边界几何条件以及场域边界激励等问题。由气隙磁密波形确定表面磁钢形状可以归结为确定场域边界几何条件以及边界激励的电磁场反问题。 电磁场反问题的直接求解比较困难，其计算量及复杂程度远远超出一般磁场正问题的计算。电磁场反问题的求解，可