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1、永磁同步电机伺服控制系统,1 永磁同步电机伺服控制系统的构成,2 永磁同步电机的结构与工作原理,3 永磁同步电机的数学模型,4 正弦波永磁同步电机的矢量控制方法,5 交流伺服电机的矢量控制系统,6 永磁同步伺服电机的设计要点,1 永磁同步电机伺服控制系统的构成,永磁同步电机；电压型PWM逆变器；电流传感器；磁极位置传感器；电流控制器。,如果需要进行速度和位置控制，还需要速度传感器、速度控制器、位置传感器以及位置控制器。,基本部分：,图1 永磁同步电机伺服控制系统的组成,永磁同步电机伺服控制系统构成如图1所示：,2 永磁同步电机的结构与工作原理,永磁同步电机用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线
2、圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦交流电，故称为交流永磁同步电机。,构成：定子和转子。,定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组 ，绕组嵌放在铁心的槽中； 转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在转轴上。,图2 永磁同步电机的结构示意图,如图2为永磁同步电机结构示意图。,工作原理：电枢绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。在稳态情况下，转子转速恒为磁场的同步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体产生的主极磁场保持静止，它们之间相互作用产生电磁转矩，拖动转子旋转，进行机电能量转换。当负载发生变化时，转
3、子的瞬时转速就会发生变化，这时，如果通过传感器检测转子的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，利用逆变器控制定子绕组中电流的大小、相位和频率，便会产生连续的转矩作用到转子上。,根据电机具体结构、驱动电流波形和控制方式的不同，有两种驱动模式：方波电流驱动的永磁同步电机，即无刷直流电机；正弦波电流驱动的永磁同步电机，即永磁同步交流伺服电机。,据电枢绕组结构型式的不同分为：整数槽绕组结构；分数槽绕组结构。,如图3所示为永磁同步电机绕组形式。,(a)整数槽绕组,(b)分数槽绕组,图3 永磁同步电机的绕组形式,电枢反应磁场均匀，对永磁体去磁作用小；电磁转矩电流的线性度高，电机的过载能力强；适合用于少极数
4、、高转速、大功率的领域。,对于多极正弦波交流永磁伺服电动机 ，可采用较少的定子槽数，有利于提高槽满率及槽利用率。同时，较少的元件数可以简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本；,整数槽绕组的优势是：,分数槽绕组的优势是：,增加绕组的分布系数，使电动势波形的正弦性得到改善；可以得到线圈节距为 1 的集中式绕组设计，线圈绕在一个齿上，缩短了线圈周长和端部伸出长度，减少了用铜量；线圈端部没有重叠，可不放置相间绝缘；可能用专用绕线机 ，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高了劳动生产率，降低了成本；减小了定子轭部厚度，提高了电机的功率密度；电机绕组电阻减小 ，铜耗降低，进而提高机效率和降低温升；降低了定
5、位转矩，利于减小振动和噪声。,图4 具有分数槽绕组的电机定子,如图4为具有分数槽绕组的电机定子。,根据电枢铁心有无齿槽把永磁同步电机分为：齿槽结构永磁同步电机；无槽结构永磁同步电机。,图 5 为无槽永磁同步电机结构示意图 。该结构电机的电枢绕组贴于圆筒形铁心的内表面上采用环氧树脂灌封、固化。,图5 无槽结构永磁 同步电机,根据转子上永磁体安装位置的不同，可以把永磁同步电机分为：表面永磁体同步电机 ；外嵌永磁体同步电机；内嵌永磁体同步电机 。,图6为永磁同步电机常用转子结构型式。,（a）,永磁体为环形，配置在转子铁心的表面，永磁体多为径向充磁或异向充磁，有时磁极采用多块平行充磁的永磁体拼成。该结
6、构多用于小功率交流伺服电机。,（b）,永磁体设计成半月形不等厚结构，通常采用平行充磁或径向充磁，形成的气隙磁场是为理想的正弦波磁场。该结构多用于大功率交流伺服电机。,（c）,主要用于大型或高速永磁电机，为防止离心力造成永磁体损坏，需要在永磁体的外周套一非磁性的箍圈予以加固。,（d）,在转子铁心凹陷部分插入永磁体，永磁体多采用径向充磁，虽然为表面永磁体转子结构，却能利用磁阻转矩。,（e）,在永磁体外周套一磁性材料箍圈，虽然为内嵌永磁体结构，却没有磁阻转矩。当电机极数多时，有时也采用平板形永磁体。,（f）,永磁体的用量多，提高气隙磁密，防止去磁，通常采用非稀土类永磁体。,（g）,永磁体平板形、切向
7、充磁，铁心为扇形，可以增加永磁体用量，提高气隙磁密，但需要采用非磁性轴。,（h）,永磁体也为平板形，沿半径方向平行充磁，由于转子交轴磁路宽，能够增大磁阻转矩，可以通过改变永磁体位置来调整电机特性，适于通过控制电枢电流对其进行弱磁控制。图 7 为该电机交、直轴电枢反应磁通路径。,（i）,由两块呈 V字形配置平板形永磁体构成一极，通过改变永磁体位置来调整电机特性。,（j）,永磁体为倒圆弧形 ，配置在整个极距范围内 ，通过增加永磁体用量来提高气隙磁密 ，还可以通过确保交轴磁路宽度来增大磁阻转矩，永磁体为非稀土类。,（k）,通过采用多层倒圆弧形永磁体增大磁阻转矩，永磁体的抗去磁能力强，气隙磁密高，且波
8、形更接近正弦形。,图6 永磁同步电机的常用转子结构,(a) 直轴电枢反应磁通路径,(b) 交轴电枢反应磁通路径,图7 交、直轴电枢反应磁通路径,表面永磁体结构的优点：转子直径小，转动惯量低；等效气隙大、定位转矩小、绕组电感低，有利于电机动态性能的改善；这种转子结构电机的电枢反应小、转矩电流特性的线性度高，控制简单、精度高。因此，一般永磁交流伺服电机多采用这种转子结构。,对于图6（k）所示结构，通过采用多层倒圆弧形永磁体来增大磁阻转矩，永磁体的抗去磁能力强，气隙磁密高，且波形更接近正弦形。,内嵌永磁体转子永磁同步电机的优点：永磁体位于转子内部，转子的结构简单、机械强度高、制造成本低；转子表面为硅
9、钢片，因此表面损耗小；等效气隙小，气隙磁密高，适于弱磁控制；永磁体形状及配置的自由度高，转子的转动惯量小；可有效地利用磁阻转矩，提高电机的转矩密度效率；可利用转子的凸极效应实现无位置传感器起动与运行。,内嵌永磁体转子永磁同步电机适用于：高转速、大转矩、高功率、高效率、需要弱磁控制以及宽广的恒功率调速范围等指标要求的领域。,3 永磁同步电机的数学模型,3.1 永磁同步电机的基本方程,作如下假设：忽略铁心饱和效应；气隙磁场呈正弦分布；不计涡流和磁滞损耗；转子上无阻尼绕组，永磁体也无阻尼作用。,PMSM的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动势与励磁线圈产生的感应电动势
10、一样，也是正弦的，那么PMSM的数学模型就与电励磁同步电机机基本相同。,图8 三相永磁同步电机的解析模型,三相永磁同步电机解析模型如图8所示。,三相静止坐标系下的电压方程式为：, 、 、 相定子电压；, 、 、 相定子电流；,永磁体磁场在相电枢绕组中感应的旋转电动势。,定子绕组电阻；,定子绕组自感。,定子绕组的漏感；,定子绕组自感的平均值；,定子绕组自感的二次谐波幅值。,绕组间的互感。,微分算子。,与定子相绕组交链的永磁体磁链为：,与定子相绕组交链的永磁体磁链幅值；, 相绕组轴线与永磁体基波磁场轴线之间的电角度。,永磁体磁场在在定子相绕组中感应的旋转电动势为：,从三相静止坐标系 u-v-w到两
11、相旋转坐标系d-q的变换矩阵为：,图9为三相永磁同步电机的d-q变换模型图10为永磁同步电机稳态运行时向量图。,定子绕组自感。, d、q轴定子电流；, d、q轴定子电压；,同步旋转坐标系下的电压方程为：,图9 三相永磁同步电机 的d-q变换模型,图10 基本向量图,电磁转矩：,右边的第1项为永磁体与 q轴电流作用产生的永磁转矩；第2项为凸极效应产生的磁阻转矩。,对于IPMSM，由于 ，因此 通过流负向的d轴电流，使磁阻转矩与永磁转矩相叠加，成为输出转矩的一部分。,3.2 永磁同步电机的dq轴数学模型,（1）永磁同步电机的dq轴基本数学模型,采用忽略铁耗时的dq轴数学模型，称之为基本数学模型。,
12、电流关系式：,稳态时：,磁链关系式：,电压关系式：,稳态时：,功率因数：,电磁转矩：,为永磁转矩；,为磁阻,转矩。,（2）计及铁耗时的dq轴数学模型,把铁耗用等效铁耗电阻表示的等效电路如图11所示。,d轴等效电路,q轴等效电路,图11 计及铁耗时永磁同步电机的d、q轴等效电路,把等效铁耗电阻与感应电动势并联，因此在等效电阻上产生的损耗与磁链和角速度的平方成正比，相当于铁耗中的涡流损耗。根据电源频率和磁链改变等效铁耗电阻的大小，也能代表包含磁滞损耗在内的铁耗。,电流关系式：,电压关系式：,电磁转矩：,铜耗：,铁耗：,4 正弦波永磁同步电机的矢量控制方法,对PMSM控制系统的基本要求：转矩控制的响
13、应快、精度高波动小；电机的效率高、功率因数高；系统的控制简单、调速范围宽、可靠性高。,PMSM矢量控制的电流控制方法主要有： 控制、最大转矩控制、弱磁控制、 控制、最大效率控制。,4.1 控制,时电机的电磁转矩为：,电磁转矩和交轴电流成线性关系，转矩中只有永磁转矩分量。 在产生所要求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高； 对控制系统来说，只要检测出转子位置，使三相定子电流合成电流矢量位于q轴上就可以了。,电机端电压、功角及功率因数为：,该控制方法因没有直轴电流，电机没有直轴电枢反应，不会使永磁体退磁。电机所有电流均用来产生电磁转矩，电流控制效率高。,时：对于SPMSM
14、，电机电流产生电磁转矩最大； 对于 IPMSM ，电机磁阻转矩没有得到充分利用，不能充分发挥其输出转矩能力。,采用 控制时，随着负载增加，电机端电压增加，系统所需逆变器容量增大，功角增加，电机功率因数减小；电机的最高转速受逆变器可提供的最高电压和电机的负载大小两方面的影响。,4.2 最大转矩控制,（1）最大转矩电流比控制,对于同一电流，存在能够产生最大转矩的电流相位，这是对于电枢电流，最有效地产生转矩的条件。为达到这种状态，控制电流矢量的方式就叫做最大转矩电流比控制。,随着输出转矩增加，电机交、直轴电流变化，电机特性按最大转矩电流比的曲线变化。电机输出同样转矩时电流最小，铜耗最低，对逆变器容量
15、的要求也最小。,对于SPMSM，由于 ，因此 。,本控制方式就是 的控制方式。,d、q轴电流为：,（2）最大转矩磁链比控制,产生同样的转矩，存在磁链最小的条件。这是对于磁链，最有效地产生转矩的条件，也是铁耗最小的条件。为达到这种状态，而采用的控制方式就叫做最大转矩磁链比控制。,最大转矩磁链比控制的条件：,4.3 弱磁控制,对于永磁体励磁的PMSM，如果在绕组中有负向的 d轴电流流过，则可以利用 d轴电枢反应的去磁效应，使 d轴方向的磁通减少，能够实现等效的弱磁控制。为区别于直接控制励磁磁通弱磁控制，把这种控制称做弱磁控制。,对于电励磁同步电机，其弱磁控制是伴随着转速的升高，使励磁电流减小，而PMSM的弱磁控制是增加负向d轴电流。,由电压关系式：,得到：,在 平面，最大电流极限是以(0，0)为圆心，半径固定的圆，称为电流极限圆；随着电机转速的提高 ，最大电动势极限是一簇不断缩小，以( ，0 )为中心椭圆，称为电动势极限椭圆。电流矢量必须位于电流极限圆和电动势极限椭圆内 。,
