1、永磁同步電機簡介武琦2016/9/121 /17（1）永磁同步電機的發展現狀（2）永磁同步電機控制技術發展狀況（3）永磁同步電機控制系統的控制算法研究現狀綜述（4）永磁同步電機的熱點問題研究（5）永磁同步電機的發展趨勢2/173 /171. 永磁同步電機的發展現狀l 永磁同步電機的概念（1）永磁同步電機有高動態性能，高效率，輕量化等特點，代表著21世紀電機驅動系統發展方向之一；（2）電機驅動系統包括電機，驅動器，電流，位置及速度控制器等；（3）永磁電機是一種電能轉化為機械能的裝置，主要通過定子與轉子磁場相互作用產生旋轉轉矩，帶動負載；（4）與感應電機相比，在原理和結構等方面相似，定子結構基本一

2、致，永磁電機的轉子激勵不是靠感應線圈，而是由固定的永磁鐵實現的。4 /17l 永磁同步電機的發展歷程第一階段：20世紀6070年代，主要集中在航空，航天等特殊行業高端領域；第二階段：20世紀80年代，隨著釹鐵硼永磁材料出現和電力電子與微電子的發展，開始擴展到工業和民用領域；第三階段：20世紀90年代至今，永磁材料，電力電子，微電子，控制算法等都有了顯著進步，使其應用更廣泛，已經成為驅動系統的首選電機。5 /17l 永磁同步電機的分類定子繞組轉子磁鐵6 /17 PMSM按轉子永磁體的結構可分為兩種 7/17 8/17l 永磁同步電機的特點（1）永磁同步電機有高功率密度，與相同功率的感應電機相比體

3、積小，重量輕；（2）具有小轉動慣量，易于應用對電機驅動系統要求較高的動態響應領域；（3）與繞線式感應電機相比無滑環和電刷，可靠性提高，更易應用于高速場合；（4）與感應電機相比，永磁電機的轉子激勵不是靠感應線圈，而是由固定的永磁鐵實現的，且無直接電能消耗，電機效率提高。9/172. 永磁同步電機控制技術發展狀況l 核心器件技術發展核心器件技術發展（1）20世紀五六十年代以晶閘管為代表；（2）20世紀七八十年代以GTO,GTR,MOSFET的發展；（3）20世紀后期的IGBT出現，成為電力電子領域的主導功率器件；（4）以PIC,HVIC,IPM等功率集成電路為代表，將功率器件與驅動，檢測和保護于一

4、體，使電機可靠性更高，功率密度更大；（5）微處理器的發展，DSP的出現；同時FPGA/CPLD技術的發展為實現PWM控制提供了新的進展。10 /17l永磁同步電機控制策略永磁同步電機控制策略 （1）上世紀70年代西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。 控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit異步電動機給定信號 （2）繼矢量控制之后，1984年德國魯爾大學的Depen Brock 又提出了交流電動機的直接轉矩控制方法，其特點

5、是直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標系下計算并控制電機的轉矩和磁通。 11 /173. 永磁同步電機控制系統的控制算法研究現狀綜述 永磁同步電機是一個多變量，強耦合的非線性系統。實際應用中電機的參數實時變化，且會受到外部干擾的影響，因此很多的先進控制算法被應用到交流控制系統來解決上述問題。（1）PI控制優點：經典控制策略，方法簡單，既能提高靜態精度，又能改善動態品質；缺點：PI控制法屬于線性的控制方法，適應負載能力差，抗干擾能力差，控制性能不夠穩定。（2）滑模變結構控制優點：不要求精確的數學模型，不受參數變化和外部擾動的影響；缺點：由于慣性，時間延遲等因素，存在抖振現象。12 /1713 /

6、17（3）自適應控制優點：無需精確的控制對象，無需進行參數估計；缺點：在線辨識和校正的時間比較長，對一些變化較快的伺服系統，達不到理想控制效果。（4）模糊控制優點：無需精確數學模型，魯棒性強，適用于解決非線性，時變系統的問題；缺點：難以達到較高的控制精度，其本身很難消除穩態誤差。（5）神經網絡控制優點：可以很好改善控制系統的穩定性和魯棒性；缺點：算法很復雜，多用于仿真實驗。14 /174. 永磁同步電機的熱點問題研究（1）無傳感器控制技術及各種先進智能控制位置傳感器的存在，增加了系統復雜度和成本，降低系統的魯棒性。難點是初始轉子位置的準確性。應于中高速運行的無傳感器控制技術主要有：定子磁鏈估計

7、法模型參考自適應法狀態觀測器法滑模變結構法神經網絡辨識法擴展卡爾曼濾波法檢測電機相電感變化的位置估計法15 /17適應于零速和低速運行的方法有：旋轉高頻電壓信號注入脈動高頻電壓信號注入INFORM法載波頻率成分提取法（2）良好的啟動性能永磁同步電機啟動轉矩小，啟動速度慢。啟動方法主要有異步啟動法和變頻啟動法。異步啟動使電機加工工藝變復雜，機械強度變差；變頻啟動對變頻器的質量和性能有較高的要求。16 /17（3）弱磁控制永磁同步電機的轉子是永磁鐵勵磁，隨著轉速的升高，電動機電壓達到逆變器所能輸出的極限，再想升速就只能靠調節定子電流的大小和相位增加直軸去磁電流來等效弱磁提高轉速。（4）性能改善主要從開發新結構電機，力矩補償減少力矩波動，改善永磁體的抗消磁能