调速永磁同步电机的设计-毕业设计全文

毕 业 设 计题 目： 调速永磁同步电动机的电磁设计 系： 电气与信息工程 专业： 电气工程 班级： 学号： 学生姓名： / 导师姓名： 完成日期： 2011年6月 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 题目： 调速永磁同步电动机的电磁设计 姓名 系 电气系 专业 电气工程及其自动化 班级 . 学号 . 指导老师 . 职称 副教授 教研室主任 . 一、 基本任务及要求： 1、基本技术要求：1）额定功率 =15KW; 2）额定电压 3）额定转速 ; 4）额定效率; 5)相数m=36); 7)额定功率因数; 8)绕组形式:单层,交叉Y接9)失步转矩倍数; 2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：（1）调速永磁同步电动机的电磁设计方案； (2)阐述永磁同步电动机的运行与控制原理； （）电机主要零部件图的绘制；(4) 说明书的编制二、 进度安排及完成时间：3 月1 日3 月 30日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告4月1 日 4月30 日：毕业实习、撰写实习报告5月 1日 5月20 日：毕业设计（电磁设计）5月 21日5 月30 日：毕业设计（永磁同步电动机的运行与控制） 5月上旬：毕业设计中期抽查6月1日6月12日：撰写毕业设计说明书（论文）6月13日6月14日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。1、 6月15日6月18日：毕业设计答辩 ，进行毕业答辩。调速永磁同步电动机电磁设计摘要2Abstract3第1章 概述- 1 -1.1 永磁同步电动机的发展前景- 1 -1.2调速永磁同步电动机的研究现状- 2 -1.3 永磁电机发展机遇- 2 -第2章 永磁同步电动机的数学模型- 4 -2.1 永磁同步电机的分类和结构- 4 -2.2 永磁同步电机数学模型的建立- 4 -2.2.1 坐标系的定义- 4 -2.2.2 三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s)- 6 -2.2.3 两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s-2r)- 7 -2.3 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换（2t-2s）- 8 -2.4 永磁同步电机的数学模型- 8 -2.4.1 永磁同步电机在ABC坐标系上的数学模型- 9 -2.4.2 永磁同步电机在坐标系上的数学模型- 10 -2.4.3 永磁同步电机在坐标系上的数学模型- 10 -2.5 本章小结- 11 -第3章 调速永磁同步电动机运行与控制原理- 14 -3.1调速永磁同步电机的控制方法- 14 -3.1.1恒压频比控制- 14 -3.1.2 矢量控制- 14 -3.1.3 直接转矩控制- 14 -3.1.4 解耦控制- 15 -3.2直接转矩控制- 16 -3.2.1 直接转矩控制原理- 16 -3.2.2永磁同步电机直接转矩控制系统的实现- 17 -3.2.3永磁同步电机直接转矩控制的系统- 20 -3.3 本章小结- 22 -第4章调速永磁同步电机的设计特点及思路- 23 -4.1设计特点- 23 -4.2 设计思路- 23 -4.2.1主要尺寸选择- 24 -4.2.2 转子磁路结构的选择- 25 -第5章 调速永磁同步电动机电磁设计程序- 30 -5.1额定数据和技术要求- 30 -5.2主要尺寸- 30 -5.3永磁体的计算- 32 -5.4磁路计算- 33 -5.5参数计算- 36 -5.6工作性能计算- 40 -结束语- 44 -参考文献- 44 -致 谢- 45 -附 录- 46 -调速永磁同步电动机电磁设计摘要：设计首先介绍了永磁同步电动机的发展前景及其研究现状，之后结合在发展高性能调速永磁同步电动机中也遇到几个“ 瓶颈” 问题，指出了永磁电机发展的机遇；分析了永磁同步电动机的运行与控制原理，其中包括首先分析了永磁同步电机的分类及其转子结构特点，然后分析了永磁同步电动机数学模型的建立，并根据永磁同步电机的数学模型进一步分析永磁同步电机的控制方法与原理，介绍了调速永磁同步电机的几种控制方法。其中重点论述了永磁同步电机的直接转矩控制策略的基本理论，分析了永磁同步电机转矩直接控制结构中各个组成部分的基本原理，其中包括转矩增量与定子电压空间矢量关系模型、定子磁链控制、逆变器开关时间控制模型，并提出了永磁同步电机转矩直接控制方案。之后阐述了调速永磁同步电机的设计特点及思路。其中包括设计特点的介绍、主要尺寸的选择、转子磁路结构的选择等，并总结出永磁同步电动机的电磁设计流程。最后重点分析和设计了15KW内置式调速永磁同步电动机具体的电磁设计部分。关键字： 调速永磁同步电机；运行与控制原理；直接转矩控制；电磁设计Electromagnetic Design of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract:Design first introduced the development prospects of permanent magnet synchronous motor and the present study situation in the development of high performance, after considering the permanent magnet synchronous motor speed also meet several bottleneck problems, and points out the permanent magnet motor development opportunities; Analysis of the permanent magnet synchronous motor operation and control principle, including first analyzed the permanent magnet synchronous motor and the classification of the rotor, then it analyses the structure characteristics of permanent magnet synchronous motor establishing mathematics model, and according to the mathematical model of permanent magnet synchronous motor further analyzing the control in permanent magnet synchronous motor, introduces the methods and principles of permanent magnet synchronous motor speed several control methods. Of which mainly discusses the permanent magnet synchronous motor direct torque control strategy, analyzes the basic theory of permanent magnet synchronous motor torque control structures directly to the basic principle of each part, including torque incremental and stator voltage space vector relation model, stator flux control, inverter switch time control model, and puts forward the permanent magnet synchronous motor torque direct control scheme. Then expounds the design of permanent magnet synchronous motor speed characteristics and ideas. Including design features introduction, main size selection and rotor choose of the magnetic circuit structure, and summarize the permanent magnet synchronous motor electromagnetic design process. Finally the paper analysis and design of permanent magnet synchronous motor 15KW built-in speed of concrete electromagnetic design part. Keywords: permanent magnet synchronous; operation and control principle; motordirect torque controlspace; electromagnetism design- 50 -第1章 概述1.1 永磁同步电动机的发展前景近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。电动机及其驱动系统的耗电量约占工业用电总量的三分之二左右, 2006年国际电工委员会IEC制定了IEC60034- 30电动机新标准, 其目的在于淘汰低效率电动机, 开发与应用高效率和超高效率电动机, 美国在NEMA 高效电机的基础上又制定了新NEMA 高效标准, 把效率指标再提高2% -3% , 在我国 十一五!规划的节能工程中涉及到更新和淘汰低效率电动机及高耗电设备, 推广高效节能电动机、稀土永磁电动机、高效传动系统等, 所以开发高效节能稀土永磁电动机具有实际工程应用的意义。在电力拖动系统中采用调速措施可以提高节能效果, 例如直流电动机调速、交流电动机变极调速或变频调速, 还有采用机械传动结构变速等, 但是机械传动结构变速和变极调速属于有级的调速方式, 直流电动机虽然具有较好的调速性能, 但存在换向火花的缺点, 限制了调速的容量和应用环境, 而变频调速是一种高效节能型的无级调速方式。自从德国工程师F. B laschke等人提出了矢量控制变换理论后, 解决了交流电动机电磁转矩的有效控制 , 近年来, 随着变流技术、计算机技术和现代控制技术的发展, 实现了交流电动机矢量控制的变频调速, 交流电动机调速性能可以与直流调速系统相媲美, 稀土永磁电动机变频调速要比异步电动机变频调速节能效果高5% 以上, 因此, 稀土永磁调速同步电动机在水泵、风机、电梯设备和轨道交通系统等得到广泛的应用。“中东有石油，中国有稀土”。我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土曾是让国人倍感自豪的优势资源，而今却略显尴尬。由于国际市场的压价行为，以牺牲环境为代价开采出来的稀土资源降到“白菜价”。尽管我国的稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平，但是这些优势还没有完全发挥出来，因此，对我国来说，永磁同步电动机的发展还任重而道远，还有很大潜力可开发。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对我国国防、工农业、航空事业的发展及综合实力的提升具有重要的理论意义和实用价值。1.2调速永磁同步电动机的研究现状虽然无刷直流电动机比调速永磁同步电动机具有控制简单，成本低， 检测简单等优点， 但因为无刷直流电动机的转矩脉动比较大， 铁心损耗也较大， 所以在低速直接驱动场合的应用中，调速永磁同步电动机的性能比无刷直流电动机及其它交流伺服电动机优越得多。不过在发展高性能调速永磁同步电动机中也遇到几个“ 瓶颈” 问题有待于作更深入的研究和探索。存在的主要问题如下： （1）调速永磁同步电动机在使用过程中出现“退磁”现象，而且在低速时也存在齿槽转矩对其转矩波动的影响。（2）检侧误差对控制器调节性能有影响， 发展高精度的速度及位置检侧器件和实现无传感器检测的方法均可克服这种影响。（3）以调速永磁同步电动机作为执行元件构成的永磁交流伺服系统， 由于调速永磁同步电动机本身就是具有一定非线性、强藕合性和时变性的“ 系统” ， 同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性， 加之系统运行时易受到不同程度的干扰， 因此采用先进控制策略， 先进的控制系统实现方式如基于控制， 以从整体上提高系统的“ 智能化、数字化” 水平， 这应是当前发展高性能调速永磁同步电动机伺服系统的一个主要的“ 突破口”。1.3 永磁电机发展机遇 (1) 更高的综合节能效果 永磁同步电动机由永磁体激磁，无需励磁电流，故可显著提高功率因数（可达1甚至容性）；定子电流小，定子铜耗显著减小；转子无铜耗，因而发热低，可以取消风扇或减小风扇，从而无风摩耗或减少风摩耗，故永磁同步电动机一般比同规格异步电动机效率可提高28，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行时节能效果更显著。 (2) 可满足某些工业应用需大的起动转矩和最大转矩倍数的动态需求 常规异步电动机起动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。例如为油田抽油机设计的具有异步起动能力的永磁同步电动机，起动转矩倍数可达3.6倍以上，效率可达94，功率因数可达0.95，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果。 (3) 低速直接驱动的需求 为了提高控制精度、减小振动噪声、杜绝油雾带来的不安全，也为了大转矩驱动的需求，近年来对低速电动机的需求也不断增长。如用于电梯拖动的永磁同步曳引机，转矩提高了十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了振动和噪声。又如船用吊舱式电力推进器，将低速大转矩的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和控制。这是船舶驱动技术的又一发展，国外自上世纪九十年代已成功用于豪华邮轮、专用油轮等。西门子公司吊舱式推进器中PMSM容量已达30000KW。 (4) 多极高功率因数的需求 近年来，永磁同步电动机朝着多极化发展，多极电机可显著减小定、转子铁心轭部高度，从而减小电机体积、减少铁心用量。多极电机还显著减小了定子端部长度，减小定子铜耗、从而减少发热、提高了效率。如某安装于轿厢和井壁间隙的永磁同步电动机，转子采用60极结构，显著缩短了定子线圈端部长度，实现无机房电梯。若仍用异步电动机驱动，随着极数增加，其功率因数明显降低，在轻载和空载时，功率因数将更低，因此在Y型系列电机中，10极电机已不多见。而该60极永磁同步电动机功率因数高达0.98，空载、轻载时甚至可达1，节能效果明显。 (5)高功率密度的需求 舰船、车辆受体积所限，要求电动机要有高功率密度、高转矩密度。永磁同步电动机由于无需激磁绕组，空间结构小，高性能的钕铁硼永磁材料具有高剩余磁感应强度和高矫顽力，从而可提供很高的磁负荷，使电机尺寸缩小。有些并联供磁的电机，甚至可高达1特斯拉以上。传统电机的齿槽结构，约束着磁负荷和电负荷的关系，过高的磁负荷将减小放置绕组的空间，成为实现高功率密度的瓶颈。永磁同步电机直接转矩控制系统的设计第2章 永磁同步电动机的数学模型本章将首先从转子结构的角度对PMSM进行分类，然后在不同的坐标系中建立PMSM的数学模型，在此基础上对PMSM的控制原理进行介绍。2.1 永磁同步电机的分类和结构永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统或调速永磁同步电动机；而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁同步电动机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能特点有所不同。采用正弦波的永磁同步电动机可根据永磁体在转子上放置的位置分为三种：一是永磁体埋在转子内的内磁式永磁同步电动机；一是永磁体安放在转子表面的外磁式永磁同步电动机；第三种是永磁体嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步电动机。本文主要介绍内置式转子的永磁同步电动机的设计。2.2 永磁同步电机数学模型的建立2.2.1 坐标系的定义坐标系在本文中，将涉及到以下几种，对其进行一一介绍。 三相定子坐标系(ABC坐标系)PMSM的定子中有三相绕组，其轴线分别为A,B,C，且彼此间互差1200的空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相定子坐标系定义如图2.1所示。图 2.1 三相定子坐标系定子静止直角坐标系(坐标系)为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即坐标系(图2.2)，其轴与A轴重合，轴超前轴900。如果在轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋转磁场，其效果与两相绕组产生的一样。因此可以将两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而达到简化运算的目的。图2.2 定子静止坐标系转子旋转直角坐标系(dq坐标系)转子旋转坐标系固定在转子上(图2.3)，其d轴位于转子轴线上，q轴超前d轴900，空间坐标以d轴与参考坐标轴之间的电角度确定。该坐标系和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，又称为同步旋转坐标系。图2.3 定子静止坐标系与转子旋转坐标系定子旋转直角坐标系(xy坐标系)xy坐标系为随定子磁链旋转的坐标系(图2.4)，定子磁链的方向为x轴的正方向，Y轴超前x轴。同时，定义x轴与d轴的夹角为转矩角，x轴超前d轴时转矩角为正。2.2.2 三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s)图2.2中绘出了ABC和两个坐标系，为了方便起见， 取 A 轴与轴重合。设三相绕组每相有效匝数为 N3 ，两相绕组每相有效匝数为 N2 ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，则两套绕组瞬时磁动势在，轴上的投影也相图2.4 定子坐标系和转子坐标系等，即 写成矩阵形式得： (2.1)考虑变换前后总功率不便，在此前提下，可以证明，匝数比应为 (2.2)代入式（2.1）得 (2.3)令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则 (2.4)如果三相绕组是Y型联结不带零线，则有，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得: (2.5) 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵1。2.2.3 两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s-2r)图2.3是两相坐标系到两相旋转坐标系的变换，简称2s-2r变换，其中s表示静止，r表示旋转。把两个坐标系画在一起，如图2-4所示。两相交流电流、和两个直流电流、产生同样的以同步转速旋转的合成磁动势。由于个绕组匝 数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示。在图2.3中，d、q轴和矢量（）都以转速旋转，分量、的长短不便，相当于d、q绕组的直流磁动势。但、轴是静止的，轴与d轴的夹角随时间而变化，因此在、轴上的分量、的长短也随时间变化，相当于、绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见，、和、之间存在下列关系图2.5两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量写成矩阵形式，得 (2.6)式中 (2.7)是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵。对式（2.6）两边都左乘以变换阵的逆矩阵，得 (2.8)则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是: (2.9)电压和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋转变换阵相同。2.3 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换（2t-2s）分别定义，dq坐标系是建立在转子上的旋转坐标，xy坐标系是建立在定子上的旋转坐标系，定子磁链的方向为x轴的正向，x轴与d轴的夹角为转矩角，、为xy坐标系到dq坐标系和dq坐标系到xy坐标系的变换阵，由图2.4可知： (2.10) (2.11)其中为x轴与d轴的夹角，即转矩角。2.4 永磁同步电机的数学模型当永磁同步电机的定子通入三相交流电流工时，三相电流在定子绕组电阻 上产生电压降。由三相交流电流产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应电动势，另一方面以电磁力拖动着转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势 。为了简化分析过程，在建立数学模型时常忽略一些影响较小的参数，作如下假设：（1）忽略铁芯饱和；（2）定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆是按正弦分布的，即略去磁场中的所有空间谐波； （3）各相绕组对称，即各相绕组匝数和电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度； （4）不计涡流和磁滞的影响。PMSM 的定子和普通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（反电动势）与励磁线圈产生的感应电动势一样也是正弦的，那么 PMSM 的数学模型就与电励磁同步电机基本相同3。在以上假设的基础上，建立PMSM在不同坐标系下的数学模型。2.4.1 永磁同步电机在ABC坐标系上的数学模型对于三相绕组电动机，在忽略了内部绕组电容的前提下，其电压矢量和磁链矢量可以表示为： (2.12) (2.13) 其中：为定子电压矢量，和，分别表示定子电阻和定子电感，和分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量，表示定子电流。根据式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步电机三相绕组的电压回路方程如下： (2.14)其中为、各相绕组端电压，、为各相绕组电流，、为转子磁场在定子绕组中产生的交链，为微分算子。由于假设转子磁链在气隙中呈正弦分布，根据图2.1及图2.2可知： (2.15)另外，对于星形接法的三相绕组，根据基尔霍夫（Kirchhoff）定律有 (2.16)联合式（2.14）、式（2.15）和式（2.16）整理可以得到： (2.17)2.4.2 永磁同步电机在坐标系上的数学模型根据坐标变换理论，对用此同步电机在ABC坐标系下的数学模型进行3s-2s的坐标变换，就可以得到在坐标系下的数学模型。式(2.5)为电流方程：(2.18)由式（2.4）、（2.5）和（2.17）可得电压方程 (2.19)其中、 分别为定子电压在轴上的的分量, 、 为在 轴上的电感分量，其中 ，为转子磁链在定子侧的耦合磁链，为转子角速度。2.4.3 永磁同步电机在坐标系上的数学模型在坐标系下建立永磁同步电机的数学模型，对于分析永磁同步电机控制过程系统的稳态和动态性能都十分方便。对永磁同步电机在坐标系的数学模型进行2s-2r坐标变换，就可以获得永磁同步电机在坐标系下的数学模型。由式(2.5)和式(2.8)得到永磁同步电机在dq坐标系下的电流方程： (2.20)其中、分别为定子电流在dq坐标系下的分量，结合式(2.16)整理得 (2.21)永磁同步电机在dq坐标系上的磁链方程为： (2.22)(2.23)(2.24)电压方程为： (2.25) (2.26) (2.27)转矩方程为： (2.28)运动方程为： (2.29)其中为转动惯量，为转矩负载。其中、分别是定子绕组、轴的磁链、电压、电流和电感，、为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；为转子磁链在定子侧的耦合磁链； 、为电机极对数、电磁转矩和角频率，为微分算子。以上即是永磁同步电机在同步旋转坐标 轴系下的数学模型。2.5 本章小结本章节对永磁同步电机的分类、结构及特点进行了分析，给出了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型，最后给出了其运动方程。为后续章节研究调速永磁同步电机控制原理与方法，进一步研究直接转矩控制技术奠定了理论基础。第3章 调速永磁同步电动机运行与控制原理3.1调速永磁同步电机的控制方法任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。3.1.1恒压频比控制恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压uout进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有与id或iq的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对和id，iq解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。3.1.2 矢量控制高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司FBlaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。因此，对其进行深入研究。矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。 3.1.3 直接转矩控制矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC。虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大。3.1.4 解耦控制永磁同步电动机数学模型经坐标变换后，id，id之间仍存在耦合，不能实现对id和iq的独立调节。若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能，就必须解决id，iq的解耦问题。若能控制id恒为0，则可简化永磁同步电动机的状态方程式。此时，id与iq无耦合关系，Te=npfiq，独立调节iq可实现转矩的线性化。实现id恒为0的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案，可用于对id，iq的完全解耦，但实现较为复杂；后者是一种近似解耦控制方案，控制原理是：适当选取id环电流调节器的参数，使其具有相当的增益，并始终使控制器的参考输入指令id*=O，可得到idid*=0，iqiq*o，这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。 虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一种行之有效的控制方法，只要采取较好的处理方式，也能得到高精度的转矩控制。因此，工程上使用电流型解耦控制方案的较多。然而，电流型解耦控制只能实现电动机电流和转速的静态解耦，若实现动态耦合会影响电动机的控制精度。另外，电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变，会引入一个滞后的功率因数。 上述永磁同步电动机的各种控制策略各有优缺点，实际应用中应当根据性能要求采用与之相适应的控制策略，以获得最佳性能。永磁同步电动机以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了许多成果，相信永磁同步电动机必然广泛地应用于国民经济的各个领域。接下来重点分析直接转矩控制方法。3.2直接转矩控制继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的Depen Brock 又提出了交流电动机的直接转矩控制方法，其特点是直接采用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通；采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM（空间矢量SPWM）直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单的通过电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。所以直接转矩控制策略具有控制方式简单、转矩响应快、便于实现全数字化等优点。直接转矩控制在异步电动机调速系统中的应用已经比较成熟，但在永磁同步电动机(PMSM)伺服控制系统中的应用研究相对滞后。3.2.1 直接转矩控制原理接转矩控制是对定转子磁链间的夹角也就是对转矩角进行控制。先推导转矩角与电机电磁转矩的数学关系。其中要用到与转子同步旋转的d-q坐标系，d轴正方向为转子磁链方向；与定子同步旋转的x-y坐标系，x轴正方向为定子磁链方向；两相-静止坐标系，轴正方向与电机a轴重合。如下图3-1所示。图3-1 PMSM在不同坐标系下的矢量图在建立PMSM数学模型前，先对PMSM作如下假设：忽略电动机铁心的饱和，不计电动机中的涡流和磁滞损耗，转子无阻尼绕组，则永磁同步电机在d-q坐标系下的基本方程如下： (1) (2) (3) (4) (5) (6)式中：d、q为定子磁链d、q轴分量；Ld、Lq为定子绕组d、q轴等效电感；id、iq为定子电流d、q轴分量；Ud、Uq为定子电压d、q轴分量；f为转子磁链；Rs为定子绕组电阻；P为微分算子；r为转子机械角速度；Te为电磁转矩；np为电机极对数；Tm为负载转矩；J为电机转动惯量；B为粘滞系数。经过进一步推导，得转矩控制的基本方程式： (7)对于隐极式永磁同步电机，lq=ld，故(7)式可写为： (8) 对于永磁同步电机，转子磁链不变，当定子磁链不变时，电机的电磁转矩只与转矩有关。由于定子磁链的状态比转子磁链的状态容易改变，因此可以通过控制定子磁链的状态来改变转矩角，从而实现对转矩的控制。3.2.2永磁同步电机直接转矩控制系统的实现3.2.2.1 转矩增量与定子电压空间矢量关系模型s与轴的夹角为s，则在-轴系中，定子的合成空间磁链矢量s以角速度 s旋转，设逆时针方向为正方向。为了获得尽可能小的转矩脉动，定子的合成磁链空间矢量最好采圆形轨迹，参考磁链的幅值|3s|为常量，如图3-2所示图3-2 转矩增量与定子电压空间矢量关系3.2.2.2定子磁链控制在永磁同步电机中施加零电压矢量时，定子磁链停止转动，转矩几乎维持恒定。利用这一特点，可以采用具有零电压矢量的新型开关表实现直接转矩控制，把零电压矢量看成保持当前转矩的作用，利用零电压矢量来减小转矩的波动，以及减少逆变器开关次数和转矩的脉动。开关表中输出量与输入量的关系见附表1，其中v(xxx)中x=1表示逆变器相应相的上臂导通，0表示下臂导通。16的分布见图3-3。区域的划分是以-坐标系的轴为基准确定的，因此定子磁链的位置可用其-轴分量、估算的定子旋转磁链来确定。v1v6为逆变器输出电压的空间电压矢量,当施加电压矢量与s夹角小于/2时，将使磁链幅值增加；当大于/2时,磁链幅值减小当电压矢量超前于s时，转矩增加；落后于s时，转矩减小。表1 逆变器开关表123456011（001）2（001）3（001）4（001）5（001）6（001）00（000）7（111）0（000）7（111）0（000）7（111）-11（001）5（101）4（110）6（001）2（010）3（011）116（001）2（010）3（011）1（001）5（101）4（110）07（111）0（000）7（111）0（000）7（111）0（000）-15（101）4（110）6（001）2（010）3（011）1（001）图3-3 空间电压矢量和分区用、分别表示电机磁链和转矩的给定值和实际值的误差状态，当给定值比实际值大时状态为1，否则状态为0，则由、的状态以及磁链所处分区的位置，便可按表1选择开关电压矢量，并为了方便在MATLAB/simulink中实现查表的位置我们假设一个变量的到：（9）。3.2.2.3逆变器开关时间控制模型如图2所示，设定当前采样周期的定子磁链矢量为，下一采样周期的定子磁链矢量为s.n+1，所以给定转矩和估计转矩之间存在误差。将式(8)的定子磁链增量ds分解到-轴系的两坐标轴上, （10）再利用Clarke逆变换，将式(10)映射到定子三相坐标系A、B、C轴系上，把定子磁链增量分配到三相绕组，如： （11）定子合成磁链矢量的增量在各相绕组上的分量惟一地由参考电压在该绕组上的作用时间决定，参考电压在各相绕组上的作用时间是定子合成磁链矢量空间位置角的函数，如： （12）其中为定子合成磁链矢量相对于A相绕组(轴)的空间角位移。一个周期内定子参考电压矢量的作用时间根据式(8)和(9)求得，即 （13）上式中，虽然ds和us都是空间矢量，但是二者方向相同，所以直接采用其幅值进行计算。|us|是参考电压空间矢量的幅值为直流母线电压。3.2.3永磁同步电机直接转矩控制的系统永磁同步电机直接转矩控制的系统结构如图3-4所示，是一个包含速度和转矩的双闭环系统。主要包括电机转速pi调节器、定子磁链和转矩观测器、转矩与磁链滞环比较控制器、最佳开关逻辑选择表、逆变器等。以和分别作为转矩和定子磁链的给定值，te、s分别为利用-坐标系的电压和电流估算得的转矩和磁链实际值，在调速系统中可作为转速调节器的输出，与实际转矩比较后经转矩滞环控制器输出转矩增减信号。当需要增大电磁转矩时，转矩控制器输出1，逆变器输出电压所形成的空间电压矢量使s向前转动，由于电机的电磁时间常数小于机电时间常数，使定子磁链转速快于转子磁链转速，其结果是增大，增大了实际电磁转矩。转矩控制器输出0时，将减小实际转矩。进入稳态后，转矩给定值与实际值之差落在转矩控制器的滞环内，转速平均值也稳定为同步转速。为给定的定子磁链，与实际定子磁链相比较后，经磁链滞环控制器输出磁链增减信号，定子磁链保持在一个规定的范围内。这两个控制器的输出共同确定开关表的输出值，控制逆变器的pwm波输出。在控制过程中，在每一个采样周期开始，非零导通时间所对应的逆变器开关同时导通，向PMSM三相绕组供电，然后根据每相绕组的通电时间控制对应功率开关截止。一个周期内每个桥臂只有一个功率开关动作一次，具有恒定的开关频率，实际是一种恒频脉宽调制方式。该控制算法彻底避免了传统DTC控制以及SVM控制策略中磁链工作扇区的判别以及矢量合成等复杂的数据和逻辑计算，特别适合于数字PWM控制器件，可以直接用于DSP、FPGA等控制平台。永磁同步电机直接转矩控制的系统结构如图3-4所示，是一个包含速度和转矩的双闭环系统。主要包括电机转速pi调节器、定子磁链和转矩观测器、转矩与磁链滞环比较控制器、最佳开关逻辑选择表、逆变器等。以和分别作为转矩和定子磁链的给定值，te、s分别为利用-坐标系的电压和电流估算得的转矩和磁链实际值，在调速系统中可作为转速调节器的输出，与实际转矩比较后经转矩滞环控制器输出转矩增减信号。当需要增大电磁转矩时，转矩控制器输出1，逆变器输出电压所形成的空间电压矢量使s向前转动，由于电机的电磁时间常数小于机电时间常数，使定子磁链转速快于转子磁链转速，其结果是增大，增大了实际电磁转矩。转矩控制器输出0时，将减小实际转矩。进入稳态后，转矩给定值与实际值之差落在转矩控制器的滞环内，转速平均值也稳定为同步转速。为给定的定子磁链，与实际定子磁链相比较后，经磁链滞环控制器输出磁链增减信号，定子磁链保持在一个规定的范围内。这两个控制器的输出共同确定开关表的输出值，控制逆变器的pwm波输出。在控制过程中，在每一个采样周期开始，非零导通时间所对应的逆变器开关同时导通，向PMSM三相绕组供电，然后根据每相绕组的通电时间控制对应功率开关截止。一个周期内每个桥臂只有一个功率开关动作一次，具有恒定的开关频率，实际是一种恒频脉宽调制方式。该控制算法彻底避免了传统DTC控制以及SVM控制策略中磁链工作扇区的判别以及矢量合成等复杂的数据和逻辑计算，特别适合于数字PWM控制器件，可以直接用于DSP、FPGA等控制平台。图3-4 永磁同步电机直接转矩控制的系统结构3.3 本章小结本章主要介绍了永磁同步电机的控制的基本原理。首先介绍了永磁同步电机的主要控制方法。随后根据永磁同步电机的特点，分析了直接转矩控制原理。最后介绍了系统的控制策略原理，给出了控制系统的结构框图第4章调速永磁同步电机的设计特点及思路4.1设计特点调速永磁同步电动机的应用场合极为广泛，与其配套的传动系统与控制方式也不一样，因而对其技术经济性能的要求大不相同，一般来说对调速永磁同步电动机的主要要求是：调速范围宽，转矩和转速平稳，动态响应快速准确，单位电流转矩大等。调速永磁同步电动机的设计是与相匹配的功率