1、交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理211交流永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的種類繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動勢的波形的不同，可以分為正弦波永磁同步電機(jī)(PMSM)和梯形波永磁同步電機(jī)(BLDC)【261。正弦波永磁同步電機(jī)定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組；氣隙場設(shè)計為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動勢；轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵磁，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機(jī)又分為三類：凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。本文中采用的電機(jī)為凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2一l所示，定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)為兩對，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為

2、n=60fp，f為電流頻率，P為極對數(shù)。圖2一l凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖目前，三相同步電機(jī)現(xiàn)在主要有兩種控制方式，一種是他控式(又稱為頻率開環(huán)控制)；另一種是自控式(又稱為頻率閉環(huán)控制)27】。他控式方式主要是通過獨立控N#l-部電源頻率的方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不需要知道轉(zhuǎn)子的位置信息，經(jīng)常采用恒壓頻比的開環(huán)控制方案。自控式永磁同步電機(jī)也是通過改變外部電源的頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，與他控式不同，外部電源頻率的改變是和轉(zhuǎn)子的位置信息是有關(guān)聯(lián)的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子通電頻率就越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是通過改變定子繞組外加電壓(或電流)頻率的大小來調(diào)節(jié)的。由于自控式同步電機(jī)不存在他控式同步電機(jī)的失步和振蕩問

3、題，并且永磁同步電機(jī)永磁體做轉(zhuǎn)子也不存在電刷和換向器，降低了轉(zhuǎn)子的體積和質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)速范圍，且具有直流電動機(jī)的性能，所以本文采用了自控式交流永磁同步電機(jī)。當(dāng)把三相對稱電源加到三相對稱繞組上后，自然會產(chǎn)生同步速的旋轉(zhuǎn)的定子磁場，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是與外部電源頻率保持嚴(yán)格的同步，且與負(fù)載大小沒關(guān)系。212交流永磁同步電機(jī)的工作原理本系統(tǒng)采用的是自控式交直交電壓型電機(jī)控制方式，由整流橋、三相逆變電路、控制電路、三相交流永磁電機(jī)和位置傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖22所示。在圖22中，50HZ的市電經(jīng)整流后，由三相逆變器給電機(jī)的三相繞組供電，三相對稱電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)

4、生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，拖動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，通過位置傳感器實時讀取轉(zhuǎn)子磁鋼位置，變換成電信號控制逆變器功率器件開關(guān)，調(diào)節(jié)電流頻率和相位，使定子和轉(zhuǎn)子磁勢保持穩(wěn)定的位置關(guān)系，才能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，定子繞組中的電流大小是由負(fù)載決定的。定子繞組中三相電流的頻率和相位隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化的，使三相電流合成一個與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場，通過電力電子器件構(gòu)成的逆變電路的開關(guān)變化實現(xiàn)三相電流的換相，代替了機(jī)械換向器。 圖22自控式電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖正弦波永磁同步電機(jī)屬于自控式電機(jī)，只是電動機(jī)的定子反電勢和電流波形均為正弦波，并且保持同相，其可以獲得與直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩特性，而且能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性。本位置伺服系統(tǒng)

5、是通過正弦波永磁同步電機(jī)來實現(xiàn)位置伺服功能的。213旋轉(zhuǎn)式編碼器由自控式正弦波PMSM構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，需要實時檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)是通過旋轉(zhuǎn)編碼器來獲取相關(guān)的信息。根據(jù)編碼器的工作原理不同可分為磁性編碼器和光學(xué)編碼器，而根據(jù)編碼器的輸出信號的不同又分為增量式(incremental)和絕對式(absolute)編碼器兩種。絕對式編碼器可以直接測得轉(zhuǎn)子的絕對位置，每次為檢測到轉(zhuǎn)子的位置提供一個獨一無二的編碼數(shù)字值。絕對式型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)碼盤上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-

6、1次方的唯一的2進(jìn)制編碼，這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。增量式編碼器每次只能返回轉(zhuǎn)子的相對位置。增量型只能測角位移(間接為角速度)增量，以前一個時刻為基點。光電式增量式編碼器(旋轉(zhuǎn)型)由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D，每個正弦波相差90度相位差(相對于一個周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相脈沖信號相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)

7、，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度510000線。光學(xué)增量式編碼器和磁性增量式編碼器，輸出信號信息基本上一樣的。光學(xué)編碼器的主要優(yōu)點是對潮濕氣體和污染敏感，但可靠性差，而磁性編碼器不易受塵埃和結(jié)露影響，同時其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可高速運轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快(達(dá)500700kHz)，體積比光學(xué)式編碼器小，而成本更低【28】。本系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)式增量磁性編碼器，其適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，非常適用于在高速旋轉(zhuǎn)運動中檢測電動機(jī)的速度和位置。22交流永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型正弦波PMSM定子與普通的電勵磁的三

8、相同步電機(jī)是基本一樣的，并且反電動勢也是正弦波，那么其數(shù)學(xué)模型和電勵磁的三相同步電機(jī)也是一樣的。在定子通三相繞組瞬時電流，如圖23所示。三相定子繞組流過平衡電流分別為ia，ib，ic，在空間上互差120。，瞬時電流表達(dá)式如下：(21)式中Im為電流最大值。 圖23三相瞬時電流圖 圖2-4對稱三線繞組電機(jī)的三相對稱繞組如圖24所示，在定子靜止三相坐標(biāo)系下，建立電機(jī)的定子 （2-2）式2-2中，、甜。是定子三相繞組相電壓；o、是定子三相繞組相電流；鲴，(pb，鱸是三相定子繞組的磁鏈；r是定子三相繞組阻抗。磁鏈方程為【29】： （2-3）式23中乞，厶，三c分別是三相繞組的自感；厶=厶。，k=乞，k

9、=k分別是兩相繞組間的互感；紛是永磁轉(zhuǎn)子的磁鏈，秒=rot+島是轉(zhuǎn)子與三相靜止坐標(biāo)系a軸的夾角，皖為轉(zhuǎn)子的初始位置。為了簡化分析，現(xiàn)作如下假定：1)電機(jī)鐵磁部分的磁路為線性，不計飽和，剩磁，磁滯和渦流的影響；2)定子三相繞組對稱且為集中式繞組；3)忽略電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響；這樣就可使各相繞組的自感和互感與轉(zhuǎn)子的位置角無關(guān)，且永磁同步電機(jī)的三相繞組是對稱分布，星形聯(lián)接，則厶=厶=t=三，k=k=z-aac=乞=k=k=M，三和M都為常量，乞+之=0，由此整理磁鏈方程如下： （2-4） （2-5） （2-6）式25中國是同步角速度。根據(jù)三相繞組的感應(yīng)電動勢方程25可得出，每相繞組的感應(yīng)電動勢e

10、a、巳是時變的，同樣三相對稱電流都也是時變的，所以系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩時變并且各個參數(shù)耦合緊密，使整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制復(fù)雜實現(xiàn)困難。交流電機(jī)的矢量控制理論提出，是電機(jī)控制理論的第一次質(zhì)的飛躍，使得交流電機(jī)的控制跟直流電機(jī)控制一樣簡單，并且能獲得較好的動態(tài)性能。矢量控制基本思想是：在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩個分量相互垂直和獨立，這樣就可以分開調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了交流電機(jī)控制的解耦【30I，此旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系也稱為d-q坐標(biāo)系，d軸固定在轉(zhuǎn)子磁勢軸線上，q軸位于d軸逆時針方向旋轉(zhuǎn)90。的電角度上，圖25是極對數(shù)為2的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。另外，定子繞組中的三相電流

11、就可以通過一個空間矢量電流來表示，表達(dá)式如下：（2-7）式中o、之三相電流的有效值為I、角頻率為彩的，則表達(dá)式27可以化簡成：（2-8）這樣i就可以看作是一個以角速度緲旋轉(zhuǎn)的矢量，如圖25所示。 圖25旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 圖26靜止坐標(biāo)系一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系如果要把定子繞組中的三相電流轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系上，完成輸出轉(zhuǎn)矩控制。首先，要把三相交流電流所在的三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止的坐標(biāo)系口一。在固定的定子上建立口一軸坐標(biāo)系，口軸與a相重合，口軸逆時針旋轉(zhuǎn)90。為軸，轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系的表達(dá)式如下： （2-9）在PMSM系統(tǒng)中，定子繞組采用Y型連接，則o=0。然后，再由靜止的口一軸坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系，如

12、圖26所示，轉(zhuǎn)換表達(dá)式為： （2-10）式中目是兩個坐標(biāo)系的夾角。根據(jù)式210推導(dǎo)，可以得出d-q坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： （2-11）坐標(biāo)變換對于電壓矢量仍然適用，由三相靜止坐標(biāo)系變換到d-q軸坐標(biāo)系后，定子電壓方程表達(dá)式為： （2-12）式212中，為交、直軸阻抗；、乞為定子電流矢量f的直軸、交軸分量；P微分算子；、交、直軸磁鏈。交流永磁伺服電機(jī)定子磁鏈方程為： （12-13）式2-13中，盼為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈；厶、厶為電動機(jī)的交、直軸電感；把定子磁錛方程代入定子申壓方稗得： （2-14）通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可以表示為： （2-15）將磁鏈方程代入后得： （2-16）式216中n是極對數(shù)5在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)中，若取d軸為虛袖取q軸為實軸，則在這個復(fù)平面內(nèi)，可將定子電流空間矢量f表示為： （2-17）f與q軸的夾角為盯，則： （2-18）綜上整理轉(zhuǎn)矩方程得：（2-19）仃角實質(zhì)上是定子三相繞組合成旋轉(zhuǎn)磁場的軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線間夾角。在上式中，括號內(nèi)第一項就是由這兩磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖27中曲線l所示；括號內(nèi)第二項稱為磁阻轉(zhuǎn)短(曲線