永磁电动机速度调节控制设计设计

XXX学院本科毕业设计（论文) 永磁电动机速度调节控制设计毕业设计（论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意.作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计(论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名: 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计)任务（包括装订及附件）? 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日38 / 42评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文(设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”)评阅教师： （签名） 单位: （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计）质量1、论文(设计）的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任(或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日摘 要21世纪，随着科学技术的迅猛发展，不断涌现的高新技术，可利用的资源也越来越少.面对如此恶劣的环境，人们对于节电和环保的意识也越来越强，在这样的环境下传统的电励磁电机就受到了挑战,同时这也是给新型的永磁电机提供了广阔的发展机会.与此同时,数字信号处理器、新型电力电子器件以及现代控制理论的发展得到了强有力的发展。比较传统的电磁电机，永磁同步电机具有效率高且功率因数高,体积小，重量轻,材料使用率高等，具有无与伦比的优势。因此，近年来，随着永磁材料的价格上涨，和电力电子技术的发展,永磁电机的发展受到了各方面的关注。 由于永磁同步电动机结构复杂多样，媒质交界面曲直交错等原因，使得永磁同步电机的设计的难度大大的增加,计算精度比较差；此外，永磁同步电机在某些特殊的电磁过程及一些特殊问题，如对磁问题的永磁磁极结构形状和尺寸优化设计 、永磁体局部失磁问题这些都是设计的难点.关键词：永磁电机，现代调速控制,电力电子技术ABSTRACT In the 21 century ，science and technology develop fast 。High technology emerge endlessly and the resource day by day ，thus people become more aware of economizing electricity ,and protecting our environment ，which make the tradition electrical excitation confront great challenge ,as well as supplied with good chance 。 The development of the new power electronic devices ,digital signal processors and modern control theory ,the modern speed control technology has been developed 。Compared to the traditional electrical excitation generator ，the permanent magnet synchronize generator has the advantage of high efficiency ,high factor ,small size ，less material ,less weight ,that can not be replaced 。thus ，recently ，as the permanent magnet material become more economy ，as well as the power electron technology develop ,the development of the PMSM is being concerned by all sides。For the complex fabric and interleaved medium boundary,the PMSM design become rather complex,hard for account，besides，some special problems as magnetic pole fabric dimension optimize，part of magnetic pole lose magnetism are difficulty for design。Keywords：PMSM , the modern speed control technology , the power electron technology目 录摘 要2ABSTRACT3第一章 绪 论611 永磁同步电动机的发展概况611.1 永磁同步电动机的特点与应用712 课题研究的目的和意义812.1 永磁同步电机调速技术的发展概况912。2 永磁同步电机国内外研究热点10第二章 电梯的概述及主要电气设备112。1 电梯的概述112.2 电梯的的控制部分主要电气设备122.2.1 曳引电动机122.2。2 自动门机122.2。3 层楼指示122.2.4呼梯盒122.3。5 操纵箱132。3。6 平层及开门装置132。3。7 停车装置132.3.8开关装置13第三章 永磁同步电机数学模型分析1331 永磁同步电机的结构简介1432 永磁同步电机的运行原理153.2.1 功率因数cos=1运行163。2。2 最大转矩电流运行173.2。3 id=0运行18第四章 永磁同步电机调速原理204.1 永磁同步电机的数学模型2042 正弦波脉宽调制(SPWM)技术2143 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM)技术28第五章 其它硬件的选择325。1 轿厢位置检测装置选择325.2 牵引电机的选择335.3 开关门电机的选择355.4 继电器的选择365。5 熔断器的选择37第六章 总结38参考文献39致谢40 第一章 绪 论11 永磁同步电动机的发展概况永磁材料的发展是与永磁电机的发展息息相关的，世界上第一台电机，就是19世纪20年代由永磁体产生励磁磁场的永磁电机,但是当时主要采用的是永磁材料的天然磁铁矿石，磁能密度较低，电机正常运行的需要不能恶搞得到满足，所以没过多久永磁电机就被电励磁电机取代了1。直流电机存在电刷和机械换向器带来的各种限制全部都被交流电机克服了,因此交流电机在工厂自动化中得到了广泛的应用2。由于永磁同步电机的转子采用的是永磁材料，它控制起来要比异步电动机简单的多，因此优良的，高性能的控制更加容易实现,特别是永磁电动机具有简单的结构，运行起来可靠安全，同时它体积小，质量轻,损耗小，效率高,而且在电机形状和尺寸的设计上可以灵活多样的优点,引起了电机驱动技术和电机设计人员的重点关注和重视。因而永磁同步电机得到了极其广泛的应用，几乎设计到了航天航空。国家防御.工业和农业的生产，甚至包括了生活很中的各个方面3。 目前相对于日本与欧洲的电梯市场，中国电梯市场中永磁同步电梯的使用比例仍不算高，这几年虽然有部分的市场推广，但是因为价格和对永磁同步曳引机产品的信赖性尚有疑虑，客户大多采用观望态度，但随着国际大厂纷纷导入及产品日趋成熟稳定，加上节能意识高涨,近来采用永磁同步曳引机的电梯产品已有了相当的接受度,甚至有客户愿意以比较高的价格购买节能的永磁电梯产品，这种情况说明：经过这几年推广和发展，客户不但已经认同了永磁产品，而且也认同了节能环保观念.关于永磁电梯的发展方向，经过这些年的积极发展，目前除了在技术上朝大容量与高速比的方向迈进外，在设计思维上仍有所差异，但提供更高的性价比应该不会改变，而追求曳引轮小型化,降低电动机转矩，更有效地降低电动机尺寸与成本，提高节能环保层次，可能会成为未来电梯的追求方向。同时我国的稀土占有量为全球的85，拥有全球绝大部分的稀土资源,因此在开发高磁场永磁材料电机的材料方面占有非常优厚的条件.目前在我国有一大批的科学研究单位和高等院校在参与到高磁场永磁材料的开发与应用研究中来，取得的成果也是极其丰硕的6。11.1 永磁同步电动机的特点与应用 在技术不断进步的今天永磁同步电机的输出功率已经能够从几毫瓦到好几千千瓦，包含了整个微、小型已经中型电机的功率范围，而且正在往大功率领域内延伸.在永磁同步电机里，转子的直流励磁绕组被可以励磁的永磁铁所取代，从而消除了励磁铜耗，转子惯性也相应的降低了，其结构也更加的坚固.与此同时，永磁同步电机相比较于传统的发电机，它不再需要集电环和电刷装置，从而使结构更加的简单,而且有效的减少了故障的发生;不仅如此，此采用稀土永磁体还可以增大气隙磁密,使电机转速能够达到最佳值，提高了功率质量比。这些原因使永磁电动机具备了一般电机所没有的显着特点:即轻型化、尺寸小、性能高和效节能高。永磁同步电机主要具备的性能特点:（1）相对于普通感应电机，重量减少25%-60%，体积减小3070；（2）调速比范围宽，精度控制高，噪声小、运行平稳、过载能力强；(3)中小型永磁同步电动机的效率能够提高5，节电率达到10，其中一些专用的永磁同步电机节能达到15-20。正是基于永磁同步电机具备这样的优点，不管国内还是国外的许多领域用的特殊电机、高性能电机都是利用永磁同步电机方案进行的，例如美国Calnetix公司已研发出了2MW高速永磁电机，它的转速已能够达到1900022500 rmin，开发的永磁无刷直流电机线速度能够达到200ms，转速甚至高达452000 rmin8。目前资源的短缺促使人们节能意识的高涨，推广应用新型的永磁同步电机可以促进节能工作的发展,促进节能目标的实现.传统的电梯曳引技术有齿轮驱动系统存在，由于有齿轮间接驱动系统，使得整个驱动系统运行效率低而且维护复杂、驱动系统材料消耗较大、噪声大等缺点.因此和有齿轮驱动系统的电梯曳引技术相比较,在节能、环保方面采用永磁同步电机无齿轮驱动电梯系统有着突出的优点。由于永磁同步电机性能强、效率高和轻量化等特点，因此受到了船舶综合电力推进系统供应商的喜爱,比如以永磁同步电机的SPP推进系统就是船舶电力推进系统的三大供应商中的一个的西门子就开发出了的。SPP系统的效率得到明显提高正是由于使用了效率较高的永磁同步电机.各种电动机车也开始关注到了永磁同步电机，永磁同步电动机正是其发展方向之一.日本的电动车的研究始于1965年，并于1967年成立了日本电动车协会。丰田公司在1996年研制的RAV4就采用了永磁同步电机作为驱动电机,在电动车的驱动电机的选择上，不同的国家都有各自的标准与侧重，英国等国家就侧重于永磁无刷直流电机10。综上，永磁同步电机得到了非常广泛的应用，遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活等各个领域.永磁同步电机已成为电机工业技术的主要发展方向之一，在未来也必将发挥更为重要的作用。12 课题研究的目的和意义 每年我过的电动机的耗电量占了全国总耗电量的60，而这其中三相异步电动机又是耗电量最大的耗电大户，由于经济的发展迅速，人民群众对于生活的水平也日渐提高，各种用电设备的使用，使得对电能的需求也越来越高，因此每一个电机设计者都应该义不容辞参与到高性能电机的开发中来。20世纪70年代初期出现一种新型永磁电机-永磁同步电动机。由于永磁体具有高矫顽力和高磁能积,使得永磁同步电动机具有效率高、体积小、重量轻、特性好等诸多列优点,成为了新型电机的重要的发展方向之一5。永磁体钕铁硼(NdFeB)的出现,其低廉的价格和优越的磁性能,展示出了永磁同步电机广阔的民用开发前景。在民用中，国外已经有一些开始使用永磁同步电机代替原来的异步交流电机的领域，如很多电梯驱动用电电梯就已经使用永磁同步电机代替了原来的异步电机.没有去庞大的齿轮箱而是将轿厢直接用曳引轮拖动，明显的使系统的噪声和震动减小了6.特别值得一提的是取消了齿轮箱，就没有了复杂的润滑系统,彻底的将漏油造成的环境污染解决了，真正的达到了环保要求，可减小电梯空间，省去机房，降低电梯成本。永磁同步电机研制成功,不但加快了电梯行业的前进步伐，还使电动机发展水平上了一个新的台阶。12.1 永磁同步电机调速技术的发展概况 由于直流电机具有效率高、性能好、速度快等许多优点,所以从其诞生之日起，就一直受到人们的关注,并广泛应用于工业和生活。然而,随着不断发展的生产技术，对设备的要求也越来越高，直流拖动许多的弊端逐渐显露出来。直流电机由于换向器的问题，使维护的工作量增加,单机容量、最大速度和使用的环境也受到了局限，因此人们开始研究运行稳定可靠、结构简单、维护方便、成本也比较低的异步电机。但是，电力电子器件的发展还比较落后，很多性能不能满足交流电机调速技术的要求，因此，交流调速技术的发展是缓慢的。在相当长的时期内，直流电动机具有优良的性能，其技术一直领先于交流调速，70年代后期以来，随着电力电子技术和控制理论的迅速发展,交流调速系统的性能也得到了飞速的发展，性能可与直流调速系统相媲美,竞争。目前，交流调速已经慢慢地取代直流调速。 从十九年代起，人们开始研究同步电机的速度控制问题。1964德国学者率先把通信系统中的调制技术应用推广到了变频调速里面,并首先提出了用于交流传动系统中的脉宽调制也就是PWM技术。从根源上解决了方波逆变器中一直存在的问题。已经过去了四十多年，这项技术已经在工业生产过程中取得了巨大的经济效益,并且在最基础的调制原理上提出了规则采样、自然采样、低次谐波消去等优化调制方法。 1969年，英国广播公司成功研制了世界上第一台6400kw的交-交变频同步电机传动装置。在1971年德国的西门子的F。Blaschke提出了矢量控制原理后，它就广泛的受到了人们的关注，并在理论8.应用等各个方面进行了深入的研究和讨论.世界上第一台4220kw交交变频同步电机调速系统式1981年由西门子公司研制的，并且最早用于矿井的提升机传动。交流调速有很多的算法,但是最主流的为以下几种：(1) 正弦脉宽调制技术SPWM。 SPWM法是为克服直流脉宽调制（PWM）的缺点(其输出电压中含较大的谐波分量）而发展起来的。它从电动机的供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可调频、调压的三相正弦波电源。SPWM在通用变频器中日趋成熟,并且在高压变频器领域里面也占主导的地位。(2) 空间矢量脉宽调制技术SVPWM。 矢量控制是设法在普通的三相交流电机上模拟直流电机转矩的控制的规律，我们在磁场的坐标上,通过矢量变换将三相交流电机的定子的电流分解,把他们分解为转矩电流分量和励磁电流分量,然后对两个分量相互垂直，彼此之间相互独立，然后在分别进行调节。SVPWM觉有噪声低、电流谐波少、转矩脉动小等优点，而且相对于常规的SPWM直流电压利用率能够提高大约15%。12。2 永磁同步电机国内外研究热点磁势的计算、比较好的计算机仿真模型的建立、自动化仿真问题中的精度、算法、非线性的处理等等一直都是永磁同步电机的的热点研究问题.目前国内外对永磁同步电机的研究和设计主要集中于两个方面：1结构设计和研究永磁同步电机的永磁体具有很高的矫顽力，所以充磁方向非常薄的永磁铁提供很高的磁势赫尔气隙磁密。因此,径向磁路结构比较传统的除外，当极数非常少的时候，还可以采用混合结构或切向磁路的结构。国内外的永磁同步电动机转子的研究形状,提高功率效率和密度的准则都是磁通的增加、减弱电枢的应对或者高速的运行来实现的。2优化设计 稀土材料的价格相当的昂贵,在这种情况下，如果将永磁体工作的的点选择合适，使它在能够满足电动机性能各项的指标这个前提下，使要用的材料最少，也就是要电机的成本还有体积最小.优化设计都是用计算机来完成的，在设计之中，目标函数一般都是选择永磁体的体积.由于永磁体的尺寸直接影响着电动机的各种指标，因而可以选择永磁体的形状和尺寸作为设计的变量,然后其他的尺寸都可以用这个变量表示.在所有的约定条件之中，定子齿部、电抗参数和轭部磁密、起动电流、定子电密以及槽满率等都应限定在一定的范围，而功率因素、效率和启动转矩等都要大于某一个给定的值。尽管国内外的永磁同步电机的研究设计已经做了大量的工作，但是到今天为止，永磁同步电机在我们国家都还没有得到全面的推广。这是有很多原因的。其中一个就是永磁同步电机的成本高昂，但是这个问题随着永磁材料的发展,永磁同步电机的成本必然降低，而且如何采用最适合的量完成永磁同步电机,是之成本下降已经成为了一个重点。此外，永磁同步电机之中的铁损耗的计算也相当的复杂，如何准备的去分析、计算这是高性能的永磁同步电机的关键点。永磁同步电机的启动过程研究和稳定性研究一直是国内外专家们分析的焦点。随着社会的发展，永磁同步电机显的愈渐重要。第二章 电梯的概述及主要电气设备2。1 电梯的概述（1）人们对于电梯的速度要求越来越高，高速电梯的数量逐年增加。 （2）电梯的拖动技术已有较大的发展,由于直流电梯维修量大、能耗大等缺点。正逐渐的被交流电梯所取代，液压电梯由于其机房位置灵活，运行平稳，使得其在低楼层场合得到非常广泛的应用。与此同时交流拖动电梯更是得到较迅速的发展，己由之前的变级调速发展成为调频调压调速及调压调速，使得电梯的速度、加速度、加加速度控制更加满足人们心理的预期要求,电梯的舒适度也得到极大地改善。 （3)电梯逻辑控制己由过去简单的继电器接触器式控制发展为可编程序控制和微机控制,控制方式也由原有的信号控制、手柄控制发展为并联控制、集选控制、群控等多种方式,电梯可靠性大大提高。 （4）电梯的管理功能不断得到加强，以不断满足用户的使用要求。如消防员专用、紧急停车操作、防捣乱系统等。 (5）智能群控管理得到更加广泛应用.（6)机械传动方面,由于国际上机械加工工艺水平的不断提高，使行星齿轮和斜齿传动传动在电梯上的应用普遍开来，使得电梯的传动形式多样化.2.2 电梯的的控制部分主要电气设备 电机是机械和电器一体工作的大型的复杂产品,其中机械就相当于我们人的身躯,电器部分就相当于我们的神经，将机械和电器结合起来，就变成了我们现代科学的综合产品电梯.就电梯的结构来说，比较传统的分发是分为机械部分和电器部分,但是用功能系统来描述更加能够反映电梯的特点，下面介绍一下电梯机械部分的结构：2。2。1 曳引电动机曳引电动机具有提升机构，由电磁制动器（也称电磁抱闸）、驱动电动机、减速器及曳引轮组成。2.2。2 自动门机完成电梯的开门与关门:电梯的门有轿门（中有一个）和厅门（每层站一个)。只有电梯停靠在某层站时,此层厅门才允许开启；同时也只有当厅门、轿门全部关闭时才允许启动运行。2.2。3 层楼指示层楼指示又叫层显，过去常由低压灯泡构成，安装在每层站厅和轿门的上方；现多由LED点阵结或数码管构组成，与运行方向指示、呼梯盒做成一体结构。2.2。4呼梯盒 呼梯盒用以在每层召唤电梯。安装在地面1米左右的墙面上。基站与顶站有一个按钮，中间层站由上呼与下呼组成。按钮带有呼梯记忆灯，灯亮时表示呼梯号已被接收并被记忆;当电梯满足呼梯要求而停层开门时，呼梯记忆灯熄灭.基站的呼梯盒上常带有钥匙开关，供电梯管理员开关电梯。2.3.5 操纵箱操纵箱安装在轿厢内，供司机及乘客对电梯发布动作指令。操纵箱上没有与电梯经层站数相同的内选层按钮，上下层启动按钮，开关门按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关，照明等控制开关。2.3。6 平层及开门装置平层及开门装置由磁铁板和上、下平层感应器组成，上行时，上层首先插入隔磁铁板,发出减速信号，电梯开始减速，至下层插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电机停转，机械抱闸；下行时,下层首先插入隔磁铁板,发出减速信号至上层插入隔磁铁板时，发出停车及开门的信号。2.3。7 停车装置电梯的井道内每层站装有一只磁铁板，当轿厢运行到相应层站时，磁铁板插入平层感应器内,以此检测电梯所处位置和平层信号。2。3。8开关装置安全窗及其开关,安全钳及其开关，上、下限位开关，上、下强迫停止开关，极限开关。第三章 永磁同步电机数学模型分析31 永磁同步电机的结构简介 电机是一种用来进行机械能和电能之间的互相转换的电磁机械,而他们之间的能量的转换主要依赖于电机转子和定子之间的气隙磁场.不同的建立磁场的方式就形成了不同类型的电机。而永磁同步电机则由转子、定子和端盖等部件构成。永磁同步电机的转子磁场由永磁体产生，定子磁场则是由三相交流或者多项交流电形成的。可以把转子铁心做成实心的，也可以是由硅钢片叠压型成功率。定子则是与普通的感应电机基本一样，也采用硅钢片叠压结构，以减小电机运行时的铁耗。图3。1就是一台永磁同步电机的横截面示意图。电枢绕组可以采用分布短距绕组和非常规绕组,也可以采用集中整距绕组。其中,采用分布式短距绕组，产生的是正弦波电动势。采用整距绕组,产生梯形波反电动势.图3。2挂极绕组能够大大的减少绕组端部的均长,以此使电动机轴向长度减小，让电机排布更加合理，能够让电机的体积大幅度降低,而且使电气损耗减小。想要让电动机杂散损耗降低,定子绕组在大功率的永磁电机上基本都是用的星形接法。 图3.1 永磁同步电机截面示意图 1电子铁心 2定子绕组 3-转轴 4-稀土材料永磁体 5-转子铁心 为使为了让转子磁场与定子磁场它们是相对静止的，定子的交流电频率必须与转子磁场的旋转速度之间必须严格同步。因此转子的旋转速度必须完全是由定子转子磁场极数和电源频率决定。 图3.2 永磁同步电机挂极绕组的结构示意图 32 永磁同步电机的运行原理永磁同步电机的调速系统中，最主要的问题是实现电动机的瞬时转矩高性能控制。我们对于永磁电动机的要求可以归纳为:精度高、响应快、转矩脉动小、系统功率因数和效率高等9。从前面分析永磁同步电机的模型可以知道，通过对直轴电流和交轴电流的控制就可以实现对永磁同步电机的输出转矩实现控制.交、直轴电流不同组合，会影响控制系统的功率因数、效率和转矩输出能力等。怎样根据所给转矩来确定的直轴电流和交轴电流，其实就是对定子电流矢量控制的问题。 矢量控制在实际上来说就是对电动机定子电流矢量幅值和相位的控制。当永磁体的交、直轴电感和励磁磁链确定以后，电动机的的转矩就由定子电流的空间矢量is决定，而id和iq又决定了is的相位和大小，也就是说控制电动机的转矩就必须要控制id和iq.一定的转矩和转速对应于一定的i* q和i* d，通过这两个电流的控制，使实际iq和id跟踪指令值i q和i* d，便实现了电动机转速和转矩的控制4。由于实际上馈入电动机的电枢绕组的电流是三相交流电流iA、iB、iC,因此，三相电流的指令值i* A、i* B、i* C必须由下面的变换从i* q和i* d得到 （3.10） 上式中,电动机非负载端轴伸上的位置、速度传感器提供给了电动机转子的位置信号。然后通过电流的控制环让电动机输入的三相相电流iA、iB、iC和指令给我们的i A、i* B、i C值一致,以此来达到控制电动机转矩的目的. 根据永磁同步电机的不同用途，也可以有不同的矢量控制策略.比如,在纺织行业和轨道交通行业中的应用就需要要求系统能够恒功率和宽调速范围运行。目前永磁同步电机采用的控制运行的方式主要有：功率因数cos=1运行、最大转矩电流运行、Id=0运行等。3。2。1 功率因数cos=1运行 在这种运行方式中,永磁同步电机的功率因数需要恒控制为1，即 (311)由上式得=，如图33所示为电机运行矢量图.由矢量图可得 (312)根据定子电压矢量us的d、q轴分量之间的关系，可得到在一定转速和电流下得到内功率因数角 （3.13）结合定子电压矢量us的d、q轴分量和电磁转矩Tem即得到相应的电磁转矩Tem以及所需的电压us。 图3.3 cos=1 运行时矢量图 图3.4 cos=1 运行时各量随电流变化曲线 图34 为cos=l运行条件下，定子电压us（线6)、q轴的定子电流iq(线5）、d轴的定子电流id（线4）以及磁化电流ip(线3）、电磁转矩Tem（线2）、负载角 (线1)跟着定子电流is的变化曲线。从该图能够看出，随着电流的增大电磁转矩也逐渐的增大.到电流到达某一个值isMAX的时候,电磁转矩到达它的峰值TemMAX，然后随着电流的继续增大，电磁转矩又开始迅速下降10。 在cos=l的方式运行的时候逆变器的容量得到了最充分的利用，此时电动机的功率因数为一个恒定值。但是永磁电动机里，转子的励磁是不能够调节的，当负载有变化的时候,转矩绕组的总磁链是无法保持在一个恒定值的，所以转矩和电枢电流之间是不能够保持一个线性关系的.而且退磁系数大、最大输出力矩小,永磁材料很有可能会去磁,造成电机电磁的转矩减小，效果下降。3.2.2 最大转矩电流运行所说的最大转矩电流运行，就是指在给定了转矩的情况下,最优化的配置直轴电流和交轴电流的分量，是定子电流要最小，即单位的电流下电机的输出转矩要达到最大的矢量控制方式。最大转矩电流可以提高电机运行的效率,减小电动机的铜耗,从而优化整个系统的性能。此外，因为逆变器的输出电流较小的原因可以使逆变器的容量的要求相对的降低.降低系统的运行成本。最大转矩电流运行问题，它可以等效为定子电流可满足转矩方程的极值条件问题作拉格朗日函数 (3.14） 式中，为拉格朗日乘子。 令各等式为O，对函数求偏导，得 (3.15) 求解出上式，并留意到id取负值，且LdLq，得 (3.16） 式中，是电动机得凸极率， 。 把电磁转矩用标么值表示,当LdLq。时可以得到 （3。17) 把式（3。11)表示为标么值,然后代入上面式子，就可以得到电磁转矩和交、直轴电流分量的关系为 T* em= （318） 在已经给定了转矩的值的情况下，通过上面式子求出的电流值就是最优电流解.对于凸极的永磁同步电机，采用这种控制的方式可以提高系统的输出转矩.对于隐极永磁同步电机，因为转子磁路是对称的,即Ld=Lq。，求解式子(316）就可以得到id=O。所以,隐极永磁同步电机id=0就是最大转矩电流的运行方式的矢量控制策略。3。2。3 id=0运行 id=0运行是电流矢量控制策略中一种最简单的方式.当id=0时，如果从电动机的端口看,就等效于他励直流电动机。定子电流中只存在着交轴分量，而且定子空间矢量磁动势与永磁体空间矢量磁场正交。电动机的电磁转矩中只存在永磁转矩分量，其值为 （319) 如图35所示为id=0运行时的电动机空间矢量图。因为定子电流直轴分量是为零的，不存在d轴电枢反应，所以不会发生去磁,去磁的系数是 （320) 图3.5 id=0运行时的向量图 矢量图可以看出，内功率的功率因数角=0。，定子电流is出现在了q轴上。定子电压在d、q轴的分量是 (3。21） 定子电压的幅值就是 （3.22） 负载角为 （3。23） 永磁电机它的功率因数为 （3。24） 在不考虑定子电阻R的情况下,功率因数角就和负载角相等，即 (325) id=O运行的最大的优点是定子电流的幅值与电动机的输出转矩成正比，其性能于直流动机类似，无去磁作用，控制简单，因此得到非常广泛的应用，尤其是对隐极的永磁电机的控制系统。但是，id=0运行的电机的功率因数是比较低的，电动机和逆变器的容量不能得到充分的利用。通过上面的分析我们能够看出，每种运行方式各有自己优点也有自己的不足之处，不同的场合适合不同的运行方式11。其中id=O运行是运行方法中最简单的一种，该方法控制算法简单，没有去磁效应，定子电流与电磁转矩是正比关系。最重要的缺点就是是当增大输出转矩时，功率因数很快的降低。此外，电磁转矩中未能利用磁阻转矩部分，因而,主要运用控制隐极永磁电机；cos=1运行系统中的功率因数一直不变始终1，虽然能够充分利用逆变器容量,最大电磁转矩用这种方式会很小;最大转矩电流运行是能够满足电动机一定输出转矩要求条件下逆变器输出电流最小的，这对逆变器功率开光器件的工作有利,而且能够减小电机铜耗，最大转矩电流，运行比较适合恒转矩、低速运行,但是电动机的转速已经超过了转折速度继续升高的时候，输出电磁转矩会随着转速的升高而急剧下降.第四章 永磁同步电机调速原理4。1 永磁同步电机的数学模型 电机控制理论实现的基础就是精确的电机数学模型，所以这里首先给出的是三相永磁同步电动机的数学模型。因为d q坐标系下的数学模型可用来分析永磁同步电机的动态性能和稳态运行性能，所以一般在d q坐标系下建立永磁同步电机数学模型。在不计电机中的磁滞损耗和涡流、不计铁心饱和及铁耗，而且三相电流对称、转子的绕组没有阻尼的最理想的情况之下,可得永磁同步电机在d q坐标系下的电压方程7。 (4。1) 磁链方程 (4.2) 电磁转矩方程 （4.3）42 正弦波脉宽调制(SPWM)技术 PWM的控制方式其实是逆变电路中的开关器件进行通断控制,然后通过控制输出端,输出多个等幅不等宽脉冲波调制的技术,然后用面积相等原则，就可以用这些脉冲波代替正弦波的波形,按照一定的方法规律来调解各个脉冲宽度，就可以改变输出电压的频率、也可以改变逆变电路输出电压的大小。PWM逆变装置由逆变电路、直流电源和中间滤波环节组成.其中的逆变电路用PWM技术直接把直流调制成为正弦交流电,而且可以调频调压。直流电源则是用不可控整流器件构成的。中间滤波环节的滤波基本都是使用电容滤波电路进行。PWM逆变电路可以使用调节脉冲波幅值的方法来改变输出电压大小，可以改变调制波的频率的方法来改变输出频率。将正弦波等效成SPWM波时,都是把一个正弦半波划分为N等分（这里我们就取N=7)，然后我们又将每个等分好了的正弦半波的曲线和它横轴所包围形成的面积都用高度相等的矩形脉冲代替，而且这些矩形的中点都要与每一个等分的正弦波的中心对齐。所以这N个矩形波就和刚刚的正弦波半波等效,这些等高但是不等宽这样的矩形脉冲波就称SPWM波.早负半周我们也可以使用一样的方法进行等效处理.图42就是我们希望得到的 SPWM波。由于各脉冲的幅值都是相同的，所以可以直接用恒指直流电源供电。 图4。2 PWM调制原理通常采用三角载波与正弦调制波相交的办法来确定正弦波脉宽调制每个分段矩形脉冲的宽度。这是因为等腰三角波上宽度，下宽度和高度是成线性关系的，而且左右对称的，我们只要在它们和一个光滑曲线的交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到一组脉冲宽度是和这个曲线的函数正比的函数值的矩形脉冲。 有两种SPWM的控制方式，分别是单极性控制以及双极性控制。如果在正弦波的半个周期里面,三角载波只是在正或者负其中一种极性的范围里面变化，而且我们的到的SPWM也只是在一个极性里面，那么就叫做单极性控制方式,如图43就是单极性PWM控制方式波形7。 图4。3 单极性PWM控制方式 图44是一个单相桥式的PWM逆变电路，感性负载，开关器件为MOSFET，在单极性PWM控制下，对MOSFET控制规律如下： 图4。4 单相桥式PWM逆变电路 在正半周期，VT1一直是导通状态的，VT2、VT3一直是截止状态的,就只有VT4通断是交替的。当VT4关断的时候，此时负载上电压为O。而VT4导通时，加在负载上的电压是Ud。所以整个过程中负载上的电压Uo只有两种电压：Ud和0. 同理，在负半周期，VT2一直是导通状态的,VT1和VT4一直是截止状态的，VT3通断是交替。当VT3关断的时候，此时负载上电压为0。而VT3导通时，加在负载上的电压是一Ud。所以,负载上总共可以得到的电平有3种：Ud和O。 由图44可知，可以总结出VT3和VT4的通断规律。在正弦波正半周期，VT2和VT3总是处在关断的状态,当uruc时，负载上的电压u0=ud,这时VT1和VT4就是导通的.而当uruc时，负载上的电压为uo=0,这个时候VT1是导通的，VT4关断.当在负半周期的时候，VT1和VT4就总是处在被关断的状态，当uruc,则VT2导通,VT3关断7。 如果是在正弦波半周期里面，三角载波在不断的在正负极性里面变化，那么SPWM波也是在正负极性之间变化的，这种在正负之间的变化的控制方式就叫做双极性控制.三相桥式的PWM逆变器在一般情况下都是采用的双极性控制方式.如图45就是双极性PWM控制的波形。 图4。5 双极性PWM控制方式 在正弦波半个周期波形内单极性控制每相开通或关断的只有一个开关器件。而双极性控制时,逆变器同一个桥臂的上下两个开关器件交替通断，一直都是工作在互补的环境下。 对图44所示的采用双极性控制方式时单相桥式PWM逆变电路的波形,如图45.对开关器件的操作如下： 当uruc的时候，VTl和VT4处于导通状态，VT2和VT3关断的，负载的电压为u0=ud.当uruc时，VT2和VT3处于导通状态，VTl和VT4关断，这个时候的负载电压u0=ud。可以知道同一半桥上，驱动信号在上下两个桥臂有相反极性,是互补的状态。 PWM逆变电路里,fc表示载波频率，fr表示调制信号频率，它们之比为N，N称为载波比，既N=fcfr。可以依据信号波和载波的同步情况及N的变化情况,PWM调制又分为两种调制,这两种调制是同步/异步调制. （1)异步调制调制信号和载波信号,让这两种信号波不同步的调制方式我们称异步调制。在异步调制方式中,通常fC是载波频率，它保持不变,而是让fr调制频率变化，因此可以知道N是不断变化的.信号波半个周期之内,PWM波相位是变化的，脉冲个数同样也是变化的，半周期内前后14周期脉冲和正半周和负半周脉冲都不对称。调制波频率fr比较大的时候，这时的载波比N就会相应减小，输出脉冲数在一个周期相应减少，PWM脉冲不对称造成的影响变大，甚至可能出现脉冲跳动的情况12。这时，正弦波和输出波型之间存在比较大差异，电路的输出特性会变差,就三相逆变器来说，三相输出的对称性会比之前变差。而fr较低时，载波比N会较大，在一个周期内输出的脉冲数就会多，这样脉冲不对称造成的不利影响就会比较小。所以，在我们使用异步调制的时候,总是希望能够尽可能的提高载波的频率,以此来让调制信号频率较高的同时仍然能够保持较大的载波比，以此使输出特性得到改善(2）同步调制载波比N等于常数,并在变频时使载波和信号波保持同步的调制方式称为同步调制。采用同步调制的优点是可以保证输出波形的对称性。对于三相系统，为了保持三相之间对称、互差120度的相位角，载波比应取3的整数倍；为保证双极性调制时每项波形的正、负半波对称，则该倍数应该取奇数。由于波形的对称性，不会出现偶次谐波问题。但是,受到开关器件允许的开关频率的限制，保持载波比值不变,在逆变器低频运行时,载波比值会过小，导致谐波含量变大。使电动机的谐波损耗增加,转矩脉动相对加剧。如46所示为同步调制三相PWM波形 图4.6 同步调制三相PWM波形(3）分段同步调制为了是异步调制和同步调制的缺点得到改善,我们一般都会将他们结合起来，采用分段同步调制的方式，也就是把逆变电路的输出频率分成几个频段，然后在每个频段内都固定一个载波比,在不同的频段载波比也不一样.在有较高频率输出的时候就采用较低的载波比，使载波比不至于太高：反之亦然。同时，各频段的载波比都必须是3的整数倍且要是奇数。43 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM)技术 电压空间矢量脉宽调制（SVPWM)技术就是把逆变器和电动机看做是一个整体,让电动机获得恒定幅值的圆形磁场，以此方式来获得恒定电磁转矩的调制方式。SVPWM技术具有噪声低、转矩脉动小、谐波含量少、电压利用率高等优点。 这两个图是很典型的三项电压型逆变电路以及它对应的电压空间矢量图,电动机定子三相绕组轴线空间静止的时候分别用A、B、C表示。它们空间上电角度互相之间的差是1200，三相绕组上分别加上三相定子相电压UA、UB、UC；它们合成空间矢量u是旋转的空间矢量，合成的空间矢量其幅值不变但是电压为每相电压的1。5倍。电源频率不改变的情况下，合成空间矢量u以电源角频率为电气角速度恒速旋转。 图4.7 三相电压型逆变电路与电压矢量图 第一、第二、第三桥壁开关器件开关状态由a、b、c表示，上桥臂开关器件的导通状态表示为“1”，下桥臂开关器件导通状态表示为“0，那么逆变器的8种工作状态按照abc依次排列分别表示为100，llO，010，011，001，101以及111和000，分别对应空间矢量ul、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8,前6种工作状态时有效地，后2个状态是无效的。6个矢量将空间划分为6个扇区。如图48所示为电压空间矢量的放射形式7。 图4.8 电压空间矢量的放射形式和6个扇区 能够知道开关量根据开关矢量a,b，cT与逆变器输出电压的关系，三相电压可表示为（4.4）,其中Udc是逆变器输入直流电压. (4。4） 通过三相变换坐标到两相后，三相电压UA、UB、Uc在(，)坐标系下电压表达式为： （4.5) 为了得到更多边形以此得到逼近圆形磁场的效果,就必须在每一个扇区有多个工作的状态，让他们形成更多不同相位的电压空间矢量,如果想要得到旋转电压空间矢量就要利用矢量的不同作用时间来等效实现13。例如图4。10电压空间矢量线性组合，就第一扇区里，新的电压矢量us就是由电压空间矢u2和u1的线性组合构成.设换相周期为T，时间t1用于工作状态u1，时间t2用于工作状态U2，在这us.可以表示为: （4.6)其中为矢量us与u1的夹角. 图4.9 电压空间矢量的线性组合如果电压空间矢量用线电压合成公式表示，可得 （4.7）根据各个开关状态线电压表达式可以推出 (4。8）令（4。6）式和（4。7)式虚数项和实数项分别相等,则有 (4。9)从