交流永磁同步电机结构与工作原理.doc

1、广州触摸屏维修 参考资料： 交流永磁同步电机结构与工作原理 211 交 流 永 磁 同 步 电 机 的 结 构 永 磁 同 步 电 机 的 种 类 繁 多 ，按 照 定 子 绕 组 感 应 电 动 势 的 波 形 的 不 同 ，可 以 分 为 正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 (PMSM)和 梯 形 波 永 磁 同 步 电 机 (BLDC)【261。正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 定 子 由 三 相 绕 组 以 及 铁 芯 构 成 ，电 枢 绕 组 常 以 Y 型 连 接 ，采 用 短 距 分 布 绕 组 ；气 隙 场 设 计 为 正 弦 波 ，以 产 生 正 弦 波 反 电 动 势 ；

2、转 子 采 用 永 磁 体 代 替 电 励 磁 ，根 据 永 磁 体 在 转 子 上 的 安 装 位 置 不 同 ，正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 又 分 为 三 类 ：凸 装 式 、嵌 入 式 和 内 埋 式 。 本 文 中 采 用 的 电 机 为 凸 装 式 正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 ，结 构 如 图 2 一 l 所 示 ，定 子 绕 组 一 般 制 成 多 相 ，转 子 由 永 久 磁 钢 按 一 定 对 数 组 成 ，本 系 统 的 电 机 转 子 磁 极 对 数 为 两 对 ， 则 电 机 转 速 为 n=60f p，f 为 电 流 频 率 ，P 为 极 对 数 。 广

3、州触摸屏维修 参考资料： 图 2 一 l 凸 装 式 正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 结 构 图 目 前 ，三 相 同 步 电 机 现 在 主 要 有 两 种 控 制 方 式 ，一 种 是 他 控 式 (又 称 为 频 率 开 环 控 制 )；另 一 种 是 自 控 式 (又 称 为 频 率 闭 环 控 制 )27】。他 控 式 方 式 主 要 是 通 过 独 立 控 N#l-部 电 源 频 率 的 方 式 来 调 节 转 子 的 转 速 不 需 要 知 道 转 子 的 位 置 信 息 ，经 常 采 用 恒 压 频 比 的 开 环 控 制 方 案 。自 控 式 永 磁 同 步 电 机 也

4、是 通 过 改 变 外 部 电 源 的 频 率 来 调 节 转 子 的 转 速 ，与 他 控 式 不 同 ，外 部 电 源 频 率 的 改 变 是 和 转 子 的 位 置 信 息 是 有 关 联 的 ，转 子 广州触摸屏维修 参考资料： 转 速 越 高 ，定 子 通 电 频 率 就 越 高 ，转 子 的 转 速 是 通 过 改 变 定 子 绕 组 外 加 电 压 (或 电 流 ) 频 率 的 大 小 来 调 节 的 。由 于 自 控 式 同 步 电 机 不 存 在 他 控 式 同 步 电 机 的 失 步 和 振 荡 问 题 ，并 且 永 磁 同 步 电 机 永 磁 体 做 转 子 也 不 存

5、在 电 刷 和 换 向 器 ，降 低 了 转 子 的 体 积 和 质 量 ，提 高 了 系 统 的 响 应 速 度 和 调 速 范 围 ，且 具 有 直 流 电 动 机 的 性 能 ，所 以 本 文 采 用 了 自 控 式 交 流 永 磁 同 步 电 机 。当 把 三 相 对 称 电 源 加 到 三 相 对 称 绕 组 上 后 ，自 然 会 产 生 同 步 速 的 旋 转 的 定 子 磁 场 ，同 步 电 机 转 子 的 转 速 是 与 外 部 电 源 频 率 保 持 严 格 的 同 步 ，且 与 负 载 大 小 没 关 系 。 212 交 流 永 磁 同 步 电 机 的 工 作 原 理 本

6、系 统 采 用 的 是 自 控 式 交 直 交 电 压 型 电 机 控 制 方 式 ，由 整 流 桥 、三 相 逆 变 电 路 、 控 制 电 路 、三 相 交 流 永 磁 电 机 和 位 置 传 感 器 构 成 ，其 结 构 原 理 图 如 图 22 所 示 。在 图 22 中 ，50HZ 的 市 电 经 整 流 后 ，由 三 相 逆 变 器 给 电 机 的 三 相 绕 组 供 电 ， 三 相 对 称 电 流 合 成 的 旋 转 磁 场 与 转 子 永 久 磁 钢 所 产 生 的 磁 场 相 互 作 用 产 生 转 矩 ，拖 动 转 子 同 步 广州触摸屏维修 参考资料： 旋 转 ，通 过

7、位 置 传 感 器 实 时 读 取 转 子 磁 钢 位 置 ，变 换 成 电 信 号 控 制 逆 变 器 功 率 器 件 开 关 ，调 节 电 流 频 率 和 相 位 ，使 定 子 和 转 子 磁 势 保 持 稳 定 的 位 置 关 系 ，才 能 产 生 恒 定 的 转 矩 ，定 子 绕 组 中 的 电 流 大 小 是 由 负 载 决 定 的 。定 子 绕 组 中 三 相 电 流 的 频 率 和 相 位 随 转 子 位 置 的 变 化 而 变 化 的 ，使 三 相 电 流 合 成 一 个 与 转 子 同 步 的 旋 转 磁 场 ， 通 过 电 力 电 子 器 件 构 成 的 逆 变 电 路 的

8、 开 关 变 化 实 现 三 相 电 流 的 换 相 ，代 替 了 机 械 换 向 器 。 图 22 自 控 式 电 机 结 构 原 理 图 正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 属 于 自 控 式 电 机 ，只 是 电 动 机 的 定 子 反 电 势 和 电 流 波 形 均 为 正 弦 波 ，并 且 保 持 同 相 ，其 可 以 获 得 与 直 流 电 机 相 同 的 转 矩 特 性 ，而 且 能 实 现 恒 转 矩 广州触摸屏维修 参考资料： 的 调 速 特 性 。本 位 置 伺 服 系 统 是 通 过 正 弦 波 永 磁 同 步 电 机 来 实 现 位 置 伺 服 功 能 的 。 213

9、旋 转 式 编 码 器 由 自 控 式 正 弦 波 PMSM 构 成 的 伺 服 系 统 ，需 要 实 时 检 测 电 机 转 子 的 位 置 及 转 速 ， 本 系 统 是 通 过 旋 转 编 码 器 来 获 取 相 关 的 信 息 。根 据 编 码 器 的 工 作 原 理 不 同 可 分 为 磁 性 编 码 器 和 光 学 编 码 器 ，而 根 据 编 码 器 的 输 出 信 号 的 不 同 又 分 为 增 量 式 (incremental) 和 绝 对 式 (absolute)编 码 器 两 种 。绝 对 式 编 码 器 可 以 直 接 测 得 转 子 的 绝 对 位 置 ，每 次 为

10、检 测 到 转 子 的 位 置 提 供 一 个 独 一 无 二 的 编 码 数 字 值 。绝 对 式 型 编 码 器 (旋 转 型 )码 盘 上 有 许 多 道 光 通 道 刻 线 ，每 道 刻 线 依 次 以 2 线 、4 线 、8 线 、16 线 编 排 ，在 编 码 器 的 每 一 个 位 置 ，通 过 读 取 每 道 刻 线 的 通 、暗 ，获 得 一 组 从 2 的 零 次 方 到 2 的 n-1 次 方 的 唯 一 的 2 进 制 编 码 ，这 就 称 为 n 位 绝 对 编 码 器 。这 样 的 编 码 器 是 由 光 电 码 盘 的 机 械 位 置 决 定 的 ，它 不 受 停

11、 电 、干 扰 的 影 响 。 增 量 式 编 码 器 每 次 只 能 返 回 转 子 的 相 对 位 置 。增 量 型 只 能 测 角 位 移 (间 接 为 角 速 度 ) 广州触摸屏维修 参考资料： 增 量 ，以 前 一 个 时 刻 为 基 点 。光 电 式 增 量 式 编 码 器 (旋 转 型 )由 一 个 中 心 有 轴 的 光 电 码 盘 ，其 上 有 环 形 通 、暗 的 刻 线 ，有 光 电 发 射 和 接 收 器 件 读 取 ，获 得 四 组 正 弦 波 信 号 组 合 成 A、B、C、D，每 个 正 弦 波 相 差 90 度 相 位 差 (相 对 于 一 个 周 波 为 36

12、0 度 )， 将 C、 D 信 号 反 向 ，叠 加 在 A、B 两 相 上 ，可 增 强 稳 定 信 号 ；另 每 转 输 出 一 个 Z 相 脉 冲 以 代 表 零 位 参 考 位 。由 于 A、B 两 相 脉 冲 信 号 相 差 90 度 ，可 通 过 比 较 A 相 在 前 还 是 B 相 在 前 ，以 判 别 编 码 器 的 正 转 与 反 转 ，通 过 零 位 脉 冲 ，可 获 得 编 码 器 的 零 位 参 考 位 。编 码 器 以 每 旋 转 360 度 提 供 多 少 的 通 或 暗 刻 线 称 为 分 辨 率 ，也 称 解 析 分 度 、 或 直 接 称 多 少 线 ，一

13、般 在 每 转 分 度 5 10000 线 。 光 学 增 量 式 编 码 器 和 磁 性 增 量 式 编 码 器 ，输 出 信 号 信 息 基 本 上 一 样 的 。光 学 编 码 器 的 主 要 优 点 是 对 潮 湿 气 体 和 污 染 敏 感 ，但 可 靠 性 差 ，而 磁 性 编 码 器 不 易 受 尘 埃 和 结 露 影 响 ，同 时 其 结 构 简 单 紧 凑 ，可 高 速 运 转 ，响 应 速 度 快 (达 500 700kHz)， 体 积 比 广州触摸屏维修 参考资料： 光 学 式 编 码 器 小 ，而 成 本 更 低 【28】。本 系 统 采 用 的 是 旋 转 式 增 量

14、 磁 性 编 码 器 ，其 适 应 环 境 能 力 强 ，响 应 速 度 快 ，非 常 适 用 于 在 高 速 旋 转 运 动 中 检 测 电 动 机 的 速 度 和 位 置 。 22 交 流 永 磁 同 步 电 机 的 数 学 模 型 正 弦 波 PMSM 定 子 与 普 通 的 电 励 磁 的 三 相 同 步 电 机 是 基 本 一 样 的 ，并 且 反 电 动 势 也 是 正 弦 波 ，那 么 其 数 学 模 型 和 电 励 磁 的 三 相 同 步 电 机 也 是 一 样 的 。在 定 子 通 三 相 绕 组 瞬 时 电 流 ，如 图 23 所 示 。三 相 定 子 绕 组 流 过 平

15、衡 电 流 分 别 为 ia，ib，ic，在 空 间 上 互 差 120。，瞬 时 电 流 表 达 式 如 下 ： (21) 广州触摸屏维修 参考资料： 式 中 Im 为 电 流 最 大 值 。 图 23 三 相 瞬 时 电 流 图 广州触摸屏维修 参考资料： 图 2-4 对 称 三 线 绕 组 电 机 的 三 相 对 称 绕 组 如 图 24 所 示 ，在 定 子 静 止 三 相 坐 标 系 下 ，建 立 电 机 的 定 子 广州触摸屏维修 参考资料： （2-2） 式 2-2 中 ， 、 、甜 。是 定 子 三 相 绕 组 相 电 压 ；o、是 定 子 三 相 绕 组 相 电 流 ； 鲴 ，

16、(pb，鲈 是 三 相 定 子 绕 组 的 磁 链 ；r 是 定 子 三 相 绕 组 阻 抗 。磁 链 方 程 为 【29】： （2-3） 式 23 中 乞 ，厶 ，三 c 分 别 是 三 相 绕 组 的 自 感 ；厶 =厶 。，k=乞 ，k=k 分 别 是 两 相 绕 组 间 的 互 感 ；纷 是 永 磁 转 子 的 磁 链 ，秒 =rot+岛 是 转 子 与 三 相 静 止 坐 标 系 a 轴 的 夹 角 ，皖 为 转 子 的 初 始 位 置 。为 了 简 化 分 析 ，现 作 如 下 假 定 ： 1)电 机 铁 磁 部 分 的 磁 路 为 线 性 ，不 计 饱 和 ，剩 磁 ，磁 滞 和

17、 涡 流 的 影 响 ； 广州触摸屏维修 参考资料： 2)定 子 三 相 绕 组 对 称 且 为 集 中 式 绕 组 ； 3)忽 略 电 枢 反 应 对 气 隙 磁 场 的 影 响 ； 这 样 就 可 使 各 相 绕 组 的 自 感 和 互 感 与 转 子 的 位 置 角 无 关 ，且 永 磁 同 步 电 机 的 三 相 绕 组 是 对 称 分 布 ，星 形 联 接 ，则 厶 =厶 =t=三 ，k=k=z-aac=乞 =k=k=M，三 和 M 都 为 常 量 ，乞 +之 =0，由 此 整 理 磁 链 方 程 如 下 ： （2-4） （2-5） 广州触摸屏维修 参考资料： （2-6） 式 25

18、中 国 是 同 步 角 速 度 。 根 据 三 相 绕 组 的 感 应 电 动 势 方 程 25 可 得 出 ，每 相 绕 组 的 感 应 电 动 势 ea、 、巳 是 时 变 的 ，同 样 三 相 对 称 电 流 都 也 是 时 变 的 ，所 以 系 统 的 输 出 转 矩 时 变 并 且 各 个 参 数 耦 合 紧 密 ，使 整 个 系 统 的 转 矩 控 制 复 杂 实 现 困 难 。 交 流 电 机 的 矢 量 控 制 理 论 提 出 ，是 电 机 控 制 理 论 的 第 一 次 质 的 飞 跃 ，使 得 交 流 电 机 的 控 制 跟 直 流 电 机 控 制 一 样 简 单 ，并 且

19、 能 获 得 较 好 的 动 态 性 能 。矢 量 控 制 基 本 思 想 是 ：在 转 子 磁 场 定 向 坐 标 上 ，将 电 流 矢 量 分 解 成 产 生 磁 通 的 励 磁 电 流 分 量 和 产 生 转 矩 的 转 矩 电 流 分 量 ，并 使 两 个 分 量 相 互 垂 直 和 独 立 ，这 样 就 可 以 分 开 调 节 ，实 现 了 交 流 电 机 控 制 的 解 耦 【30I，此 旋 转 坐 标 系 也 称 为 d-q 坐 标 系 ，d 轴 固 定 在 转 子 磁 广州触摸屏维修 参考资料： 势 轴 线 上 ，q 轴 位 于 d 轴 逆 时 针 方 向 旋 转 90。的 电

20、 角 度 上 ，图 25 是 极 对 数 为 2 的 旋 转 坐 标 系 。 另 外 ，定 子 绕 组 中 的 三 相 电 流 就 可 以 通 过 一 个 空 间 矢 量 电 流 来 表 示 ，表 达 式 如 下 ： （2-7） 式 中 o、之 三 相 电 流 的 有 效 值 为 I、角 频 率 为 彩 的 ，则 表 达 式 27 可 以 化 简 成 ： （2-8） 这 样 i 就 可 以 看 作 是 一 个 以 角 速 度 缈 旋 转 的 矢 量 ，如 图 25 所 示 。 广州触摸屏维修 参考资料： 图 25 旋 转 坐 标 系 广州触摸屏维修 参考资料： 图 26 静 止 坐 标 系 一

21、 旋 转 坐 标 系 如 果 要 把 定 子 绕 组 中 的 三 相 电 流 转 换 到 d-q 坐 标 系 上 ，完 成 输 出 转 矩 控 制 。首 先 ， 要 把 三 相 交 流 电 流 所 在 的 三 相 静 止 坐 标 系 转 换 到 两 相 静 止 的 坐 标 系 口 一 。 在 固 定 的 定 子 上 建 立 口 一 轴 坐 标 系 ，口 轴 与 a 相 重 合 ，口 轴 逆 时 针 旋 转 90。为 轴 ， 转 换 到 两 相 静 止 坐 标 系 的 表 达 式 如 下 ： （2-9） 在 PMSM 系 统 中 ，定 子 绕 组 采 用 Y 型 连 接 ，则 o=0。 然 后

22、，再 由 静 止 的 口 一 轴 坐 标 系 转 换 到 d-q 坐 标 系 ，如 图 26 所 示 ，转 换 表 达 式 为 ： 广州触摸屏维修 参考资料： （2-10） 式 中 目 是 两 个 坐 标 系 的 夹 角 。根 据 式 210 推 导 ，可 以 得 出 d-q 坐 标 系 和 三 相 静 止 坐 标 系 之 间 的 转 换 关 系 如 下 ： （2-11） 坐 标 变 换 对 于 电 压 矢 量 仍 然 适 用 ，由 三 相 静 止 坐 标 系 变 换 到 d-q 轴 坐 标 系 后 ，定 子 电 压 方 程 表 达 式 为 ： （2-12） 式 212 中 ，为 交 、直 轴

23、 阻 抗 ；、乞 为 定 子 电 流 矢 量 f 的 直 轴 、交 轴 分 量 ； 广州触摸屏维修 参考资料： P 微 分 算 子 ； 、 交 、直 轴 磁 链 。 交 流 永 磁 伺 服 电 机 定 子 磁 链 方 程 为 ： （12-13） 式 2-13 中 ，盼 为 转 子 永 磁 体 产 生 的 磁 链 ；厶 、厶 为 电 动 机 的 交 、直 轴 电 感 ； 把 定 子 磁 锛 方 程 代 入 定 子 申 压 方 稗 得 ： （2-14） 通 过 坐 标 转 换 后 ，电 机 的 转 矩 方 程 可 以 表 示 为 ： （2-15） 将 磁 链 方 程 代 入 后 得 ： 广州触摸屏

24、维修 参考资料： （2-16） 式 216 中 n 是 极 对 数 5 在 转 子 参 考 坐 标 中 ，若 取 d 轴 为 虚 袖 取 q 轴 为 实 轴 ，则 在 这 个 复 平 面 内 ， 可 将 定 子 电 流 空 间 矢 量 f 表 示 为 ： （2-17） f 与 q 轴 的 夹 角 为 盯 ，则 ： （2-18） 综 上 整 理 转 矩 方 程 得 ： 广州触摸屏维修 参考资料： （2-19） 仃 角 实 质 上 是 定 子 三 相 绕 组 合 成 旋 转 磁 场 的 轴 线 与 转 子 磁 场 轴 线 间 夹 角 。 在 上 式 中 ，括 号 内 第 一 项 就 是 由 这 两

25、 磁 场 相 互 作 用 所 产 生 的 电 磁 转 矩 ，如 图 27 中 曲 线 l 所 示 ；括 号 内 第 二 项 称 为 磁 阻 转 短 (曲 线 2)，它 是 由 凸 极 效 应 引 起 的 ，并 与 两 轴 电 感 参 数 的 差 值 成 正 比 。 27 凸 极 同 步 电 机 矩 角 特 性 图 28 凸 装 式 永 磁 同 步 电 机 矩 角 特 性 本 系 统 采 用 的 是 凸 装 式 转 子 永 磁 同 步 电 动 机 ，所 以 Ld=Lq，于 是 电 磁 转 矩 可 以 简 化 为 ： （2-20） 式 中 不 包 含 磁 阻 转 矩 项 ，电 磁 转 矩 仅 与 定 子 电 流 的 交 轴 分 量 有 关 。当 时 盯 ： 互 ，每 广州触摸屏维修 参考资料： 2 单 位 定 子 电 流 产 生 的 电 磁 转 矩 值 最 大 ，如 图 28 所 示 ，本 系 统 通 过 =0 控 制 ，使 仃 =三 2，这 样 转 矩 响 应 仅 与 定 子 矢 量 电 流 成 正 比 。