（电机与电器专业论文）永磁同步伺服电动机的设计研究.pdf

浙江人学顾i ：学位论文 a b s t r a c t a st h em a i n s t r e a mo fa cs e r v os y s t e m s ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) a cs e r v os y s t e m sa r ew i d e l yu s e da n dh a v eb r i g h tp r o s p e c t i n f a c t o r ya u t o m a t i o n ( f a ) p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r sa r et h ee x e c u t i v e m a c h i n e si ns e r v os y s t e m s ，t h ep e r f o r m a n c eo fw h i c hd e c i d et h ep e r f o r m a n c eo f e n t i r es e r v os y s t e m st oag r e a te x t e n t s oi ti ss i g n i f i c a n ti nt h e o r ya n da p p l i c a t i o nt o e l a b o r a t e l yd e s i g ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c ep m s m t h ed e s i g no fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u ss e r v om o t o rw a sr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l yi n t h i sp a p e r ，i n c l u d i n g d e s i g nm e t h o d ，p e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o n ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，p a r a m e t e r s c o m p u t a t i o n ，c o n t r o ls i m u l a t i o n ，t e s t sa n d s oo n f i r s t l y ，r e s e a r c hs t a t u sq u o ，p r e s e n tp r o b l e m sa n dp r o s p e c to fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u ss e r v om o t o rw e r es u m m a r i z e da n da n a l y s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c a n d m e t h o do fd e s i g no np m s mw a si n v e s t i g a t e d e m e n d a t e db yp a r tp a r a m e t e r s c a l c u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p u t e dp r o g r a mf o r p m s mw a sc o m p i l e d t h ep e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o no fp m s mw a sf i n i s h e da n dt h e r e s u l tw a sr e l a t i v e l yc o r r e c t s e c o n d l y ，a i r g a pm a g n e t i cf i e l do fp m s mw a si n d e p t ha n a l y s e d t h e r ew e r e s e v e r a lf a c t o r s i n f l u e n c i n ga i r g a pm a g n e t i c f i e l d ，s u c ha sm a g n e t i z a t i o n ，p o l e e m b r a c e ，u n e q u a la i r g a pd i s t a n c e a n dt h et h i c k n e s so fp e r m a n e n tm a g n e t t h e c u r v e sw e r ed r a w e d ，w h i c hr e p r e s e n t e dt h ee f f e c to fs u c hf a c t o r st of u n d a m e n t a l w a v ea m p l i t u d ea n dh a r m o n i cg r o s so fa i r g a pm a g n e t i cf i e l dw a v e f o r m s i n u s o i d a l a i r g a pm a g n e t i cf i e l dw a v e f o r mi m p r o v e de v i d e n t l yw a sg o tb yo p t i m u md e s i g n e x t e n d e d l y , d i f f e r e n tt y p e so fp e r m a n e n tm a g n e ts h a p ea n ds i z e t h a th a da l l i m p o r t a n te f f e c to np e r f o r m a n c ea n dc o m m u t a t i o no fe l e c t r o m o t o r , w e r es u m m a r i z e d a n di n v e s t i g a t e d v a l u a b l er e s e a r c ha c h i e v e m e n ti na p p l i c a t i o nw a sg o t a n dt h e n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l so fp m s mw e r ec r e a t e db ya n s o f ta n d m a g n e t b a c ke l e c t r o m o t i v ef o r c ew a v e f o r m ，p e r f o r m a n c eo fs t e a d ys t a t eo p e r a t i o n a n dc o g g i n gt o r q u ew e r ei n d e p t hi n v e s t i g a t e d s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s o f p m s mw a sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s u c ha sda n dqa x i ss y n c h r o n o u s r e a c t a n c e s i m u l a t i o nm o d e lo fi d = oc o n t r o ls y s t e mf o rp m s mw a sc r e a t e db y m a t l a b s i m u l i n ka n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hw a sc a r r i e do u t f i n a l l y , e x p e r i m e n to fp m s mw e r ec a r r i e do n ，i n c l u d i n g t e s to fb a c ke m f w a v e f o r ma n dm a g n e t i cf i e l dw a v e f o r m ，t e s to fp e r f o r m a n c ec u r v e sa n dm e a s u r eo f da n dqa x i ss y n c h r o n o u sr e a c t a n c e t e s tr e s u l ta n dd e s i g nr e s u l tw e r ec o m p a r e d a n da n a l y s e d a l s ot h em e t h o do fd e s i g nw a sv e r i f i e db yt h et e s tr e s u l t k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u ss e r v om o t o r , s e r v o c o n t r o l ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，d e s i g n ，t e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成采。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不苞含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书焉使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 2 9 曹年7 月弓翻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏叁堂有关保餐、搜用学位论文的规定， 有权保留并向囡家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阕。本人授权盘鎏基茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据痒 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密舷适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字网期：加萝年7 月乡曰 学位论文作者毕鲎后去向： 工作单位：易如0 通讯地址： 导师签名： 黑爹峰 签字日期如害年7 月多日 电话： 邮编： 浙江人学硕j ：学位论文第一帝绪论 第1 章绪论 本章简要介绍了课题的背景和意义，综述了永磁同步伺服电动机的研究现 状，分析了永磁同步伺服电动机设计所存在问题和伺服系统的发展前景，最后阐 述了本文主要研究内容与论文章节安排 1 1 课题背景和意义 在经济发展和科技进步的同时，人们也面临越来越严峻的能源短缺问题，在 这种时代背景下，永磁电机以其性能优异、高效节能的显著优点，从而成为了电 机研究应用的焦点。永磁电机，特别是稀土永磁电机，具有结构简单、运行可靠； 体积小、重量轻；损耗小，效率高：电机的形状和尺寸灵活多样等众多优点【1 1 。 其中，永磁同步电动机用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而 省去了励磁线圈、滑环和电刷，简化了电机结构，提高了运行可靠性和效率，由 于其转速在稳定运行时与电源频率保持恒定关系，所以很适用于变频调速系统。 近年来，交流伺服控制技术有了迅速的发展，交流伺服电动机本身结构简单， 体积小，质量轻，没有机械换向，维护量小，具备了宽调速范围、高稳速精度、 快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能。交流伺服系统逐步取代直流伺服 系统，尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域，是现代伺服驱动系统的发 展趋势。永磁同步伺服电动机具有转动惯量小，动态响应快，转矩电流比高，效 率高，散热容易，控制较感应电动机简单等众多优点，还具备了十分优良的低速 性能，并可实现弱磁扩速，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要 求，因此永磁同步伺服电动机得到了众多研究与开发人员的青睐，目前已成为交 流伺服系统的主流。 伴随着新材料、机电一体化、电力电子、计算机、控制理论等高新技术的发 展，永磁同步电动机交流伺服系统将会开拓更为广阔的应用领域。从市场需求看， 我国仅机电行业就有大量的机床需采用系列宽调速电机进行改造，以大幅度提 高加工精度和效率，其他工业自动化场合需求量更大，目前国内符合此类要求的 永磁同步伺服电动机年总产量远不能满足市场需求。此外，国际市场的需求量也 在以每年2 0 左右的速度急剧增加。因此，研究高性能、高可靠性的永磁同步伺 服电动机具有重要的理论意义和应用价值。 i 浙江人学坝l j 学位论文第一帝 绪论 1 2 永磁闻步伺服电动机的研究现状和发展前景 1 。2 。1 永磁圈步伺服电动机篱介 永磁电机的发展和永磁材料的发展是密切相关的。上世纪6 0 年代和8 0 年代， 稀土钴永磁和钕铁硼永磁楣续问 登，它们具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积 和线性退磁曲线的优异磁性能，使永磁电机进入了一个新的发展阶段。常规永磁 电动机主要有以下4 类：永磁直流电动枫、异步起动永磁同步电动机、调速永磁 同步电动机和永磁无刷直流电动机。其中永磁同步电动机，相比电励磁同步电动 机，具有电机结构简单、运行可靠和效率更高的优点。与异步电动祝相比，显著 提高了效率和功率因数，具有更显著的综合节能效果【2 1 。异步起动永磁同步电动 枫( l i n e 。s t a r tp m s mo rl s p m s m ) 和调速永磁同步电动机( a d j u s t a b l e s p e e d p m s m ) ，区别在于前者的转子上设罱了起动绕组( 鼠缝条) ，从而具备在某一电 压和频率下的自行起动能力，丽后者依靠变频器起动和控制。永磁交流伺服系统 采用的电动机一般为调速永磁同步电动机。 电气伺服技术在机电一体化产品中的应用广泛，按照其执行电动机的不同可 分为直流伺服系统和交流伺服系统，两者的性能比较如表1 - 1 ，交流伺服电动机 没有机械换向，克服了直流伺服电动枫存在电刷和机械换向器而带来的各种限 制，具有明显的优越性，在工业发达国家，交流伺服电机的市场占有率已经超过 8 0 ，国内生产交流伺服电机的厂家也越来越多，交流伺服系统正在逐步取代直 流伺服系统。交流伺服电动机通常有笼式异步( 感应) 伺服电动机和永磁同步伺 服电动机。异步型交流伺服系统采用矢量变换控制，实现矢量变换计算复杂，而 且电机低速时特性不良，容易发热，还存在效率低的缺点。而永磁同步电动机交 流伺服系统控制相对简单，容易实现高性能的优良控制，还具备了优良的低速性 能，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调遽范围的伺服系统中应用广泛。在交 流永磁伺服驱动系统中，普遍应用的交流永磁伺服电动机有两大类，有两种工作 方式：种是永磁无刷直流电动机( p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h 1 e s sd cm o t o r ，简称 b l d c m ) ，其绕组中流过方波或梯形波电流，具有与传统直流电动机相媲美的优 良调速控制性能，并且无需机械换向器与电刷。另一种是永磁同步电动机 ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s m ) ，其绕组中流过芷弦交流电 流。相i ：匕p m s m ，b l d c m 具有控制简单、成本低、检测装置简单等优点，但源 2 浙江人学硕一卜学位论文 第一章绪论 于其原理上存在的固有缺陷，使其存在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的缺点， 从而限制了由其构成的b l d c m 伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合 的应用。而p m s m 具有l ：匕b l d c m 及其它交流伺服电动机更优越的性能，尤其是 在低速或直接驱动场合，随着永磁材料及控制技术的飞速发展，使得p m s m 性价 比得到了进一步的提高3 1 。高性能交流伺服系统大多采用永磁同步电动机，研究 和发展高性能的p m s m 伺服系统己成为国内外广大同仁的共识。 表1 - 1 交流伺服电机与直流伺服电机的比较 ：攀芝 永磁同步异步型交流直流伺服电动机 比较项目、 伺服电动机伺服电动机 电机结构比较简单简单复杂，有电刷和换向器 高速化比较容易容易 稍有凼难 发热情况定子发热，有利定转子均发热，不利转子发热，不利 控制方法稍复杂复杂简单 制动容易凼难容易 环境适应性女，好 受火花限制 维护性无 无较麻烦 永磁同步电动机交流伺服系统主要由以下几个部分组成：永磁同步伺服电动 机、速度和位置传感器、功率逆变器和p w m 生成电路、速度控制器和电流控制 器，如图1 1 。它是一种闭坏控制系统，将驱动器包含在电动机内就可以将其 看成是自控同步电动机。因此，它彻底克服了步进电动机驱动系统所固有的振荡 和失步等缺点，提高了电动机的转矩电流比，具有更高的运行速度，更稳定的运 行性能及更强的位置控制能力。 图1 - 1 永磁同步电动机交流伺服系统的组成 浙江人学顺i j 学位论文第一章绪论 永磁同步电动机交流伺服系统应用广泛，在现代工业、国防、空i 白j 技术、日 常生活等各个领域，已成为其中一个不可缺少的组成部分。永磁同步电动机交流 伺服系统主要有以下一些典型应用：在高性能数控机床上的应用、在工业机器人 中的应用、在新型电梯驱动中的应用、在雷达天线驱动系统中的应用、在船用电 力推进器上的应用、在纺织机械中的应用等等【4 1 。 1 2 2 永磁同步伺服电动机的研究现状 伺服系统的应用和发展已经有数几十年的历史，执行驱动的元件经历了电液 脉冲马达、功率步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等几代的发展。 永磁同步伺服电动机和数字伺服系统的结合，在如今的伺服装置中独领风骚。 早期对永磁同步电动机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电动机运行 特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。上世纪8 0 年代国外开始 对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电动机 与直接起动的永磁同步电动机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。 随着电动机调速技术不断发展，高性能永磁同步调速系统的出现，引起了人们对 永磁同步伺服系统研究的高度重视，其研究工作主要是针对由逆变器供电的永磁 同步伺服电动机性能的研究和对伺服系统控制的研究。针对永磁同步伺服电动机 本体，国内外主要的研究方向体现在以下几个方面： 一、电机性能的研究。在逆变器供电的情况下，永磁同步伺服电动机原有的 特性将受到一定的影响，其稳态特性及暂态特性与恒定频率供电情况下的永磁同 步电动机有着不同的特点。为了提高永磁同步伺服电动机的分析精度，必须考虑 磁路饱和及d 、q 坐标参量之间的交叉耦合问题。采用有限元分析法求解永磁同 步伺服电动机的参数，并用试验测量电动机参数的变化规律以修j 下电动机的数学 模型，以描述永磁同步伺服电动机的运行特性【5 】。 二、电机结构的优化。由于驱动电源非稳恒j 下弦交流电源，其输出电压和电 流中包含有较多的谐波成分，当它作用到电机绕组上时，将使铁耗和铜耗增大， 导致电机运行效率降低，温升增高，负载能力下降，输出转矩波动，直接影响低 速时电机转速的稳定性，因此要设计出与驱动电源相适应的永磁同步伺服电动 机。由于产生完全标准的反电势波形很难，恰当地选择绕组电流的谐波成份可以 降低基本电磁转矩的波动，使基本i l ；i ；| 转矩波动与定位转矩相互抵消【6 】。设计低 4 浙江人学硕1 j 学位论文第一章绪论 谐波绕组有利于削弱谐波电势，改善电机性能。另外，定子采用斜槽，转子采用 多体、分段和扭斜磁极结构也能削弱齿谐波电判7 。9 】。 为了产生平稳的电磁转矩要求永磁同步伺服电动机具有正弦的反电势，这可 以通过优化气隙磁场来实现，如改善不均匀气隙、极弧系数等，h a l b a c h 磁体 结构【l o 】也较容易得到j 下弦波分布的气隙磁场波形，还有利于减少电机的转动惯 量和体积重量。低速平稳性是永磁同步伺服电动机的一个重要指标，为了减少低 速转矩脉动可以增大气隙长度、采用定子斜槽或转子斜极、减少定子槽1 5 1 宽度等 措施；用高性能的永磁材料和加工技术改进p m s m 转子结构和性能，以通过消 除、削弱因齿槽转矩所造成p m s m 转矩脉动对系统性能的影响【m 1 2 1 。 三、磁场分析计算方法的研究。永磁电机的磁路结构灵活多样、磁场分布复 杂，给磁路计算带来了较大的困难，要想获得设计计算的准确性，需要进行磁场 的数值计算与分析【| 3 】。在永磁电机磁场分析中，应用最广泛的是有限元方法， 有限元方法特别适合于求解电机这类边界形状复杂、存在材料非线性的磁场问 题。有限元的应用扩充了设计分析的内容和提高了计算的精确度，除了计算永磁 电机的暂念、稳念特性和电磁参数，还可以计算电机温升、电磁噪声、重要零件 的机械应力、转子弯曲和扭转振动等。 国内永磁同步伺服电动机的设计生产技术j 下逐步走向成熟，目前正朝着标准 化、系列化、规模化方向发展，以生产出高可靠性、价格低廉、富有竞争力的产 品。但国内伺服电机的全数字驱动器技术还比较落后，主要局限于欠缺实用的电 机数字控制算法和高可靠的功率模块，大大限制了国产伺服电机的推广。随着微 型计算机技术，特别是d s p 技术的飞速发展，永磁同步电动机伺服系统的数字化 f 火热进行着。d s p 芯片己取代单片机成为伺服控制领域的主流控制芯片，其应 用大大简化了系统结构，提高了系统性能，并出现了全数字化软件伺服系统，显 著提高了永磁同步电动机伺服系统的高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方 法的应用提供了基础。同时，电力电子技术的快速发展也有利于伺服系统性能的 提高，所采用的电力半导体器件由过去的整流二极管、晶闸管、g t o 、g t r 、p - - m o s f e t ，到现在主要采用的i g b t 和i p m 1 4 】。其外，控制策略不断进步，尤 其是智能控制的兴起和不断成熟。控制器要结合控制理论的发展，从通过改进控 制策略的角度着手以提高p m s m 伺服系统性能【”】。 浙江人学坝i j 学位论义第一章绪论 1 2 3 永磁同步伺服电动机设计所存在问题和发展前景 纵观永磁同步伺服电动机的研究现状，国内外广大电机研发人员在提高永磁 同步伺服电动机性能及性价比进行了大量的研究和实践，并取得了一些令人可喜 的成就，但要进一步提高永磁同步伺服电动机的性能，必须更深入地研究和探索 以克服影响其性能的问题，主要有以下几个方面： 1 ) 不可逆退磁问题。如果设计或使用不当，永磁同步伺服电动机在过高( 钕铁 硼永磁) 或过低( 铁氧体永磁) 温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下， 或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，使电机性能下降，甚至无法 使用，所以需要发展永磁材料及其加工技术改进p m s m 结构以克服p m s m 在 使用过程中的“退磁”问题【幡17 1 。 2 ) 转矩波动问题。影响永磁同步伺服电动机低速平稳性的主要原因是电动机低 速运行时的脉动转矩，包括电动势或电流非f 弦引起的纹波转矩和齿槽转矩 【1 8 】。通过优化气隙磁密波形、采用定子斜槽或转子斜极、合理选择定子槽数、 采用短距分布绕组等措施，还有改进逆变器性能，克服其存在功率丌关关断 延时对其电流跟踪速度减慢和造成注入p m s m 定子电流含有谐波成分而造 成转矩脉动的影响。 3 ) 成本问题。铁氧体永磁同步电机由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般 比电励磁电机低，因而得到了广泛应用。由于稀土永磁目前的价格还比较贵， 稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用 的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的 比较后取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化，以降低成本【l 引。 4 ) 控制问题。永磁同步伺服电动机不需外界能量即可维持其磁场，但这也造成 从外部调节、控制其磁场极为困难。随着m o s f e t 、i g b t 等电力电子器件和 控制技术的发展，大多数永磁同步伺服电动机在应用中，可以不进行磁场控 制而只进行电枢控制。设计时需把永磁材料、电力电子器件和微机控制三项 新技术结合起来，使永磁同步伺服电动机在崭新的工况下运行。由于永磁同 步伺服电动机本身是具有一定非线性、强耦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，加上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，提高控制器性能尤其是其智能水平和自适应 6 浙江人学硕i i ? 学位论文第一章绪论 能力以克服包含驱动器、p m s m 及负载在内的自广义被控对象的不确定性因 素对系统性能造成的影响；同时采用先进的控制系统实现方式( 如基于d s p 控 制) 以从整体上提高系统的“智能化、数字化”水平【2 们。 高磁性能钕铁硼永磁体的成功丌发以及电力电子元件的进一步发展，稀土永 磁同步电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期，在理论研究和应用领域 都将产生质的飞跃，随着永磁同步电动机伺服驱动性能要求的不断提高，永磁同 步伺服电动机j 下朝着高效率、高力矩惯量比、高能量密度方向发展，以满足现代 伺服驱动要求。 随着新型电力电子器件的出现，d s p 技术的发展，现代控制理论的运用，永 磁同步电动机交流伺服系统的研究主要有以下几个发展趋势： 1 ) 设计出低谐波磁场、低谐波绕组、低损耗和低噪声的永磁同步伺服电动机， 例如电机绕组采用混相法，转子采用多体分段和扭斜磁极结构均能有效削弱 谐波电势。 2 ) 无传感器永磁同步电动机伺服系统。永磁同步电动机控制系统大多采用测速 发电机或编码器等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置 的成本，还使系统易受环境干扰、可靠性降低。有多种转速和转角在线估计 算法实现无传感器控制，如模型参考自适应系统估计算法、人工神经网络估 计算法、卡尔曼滤波估计算法、电流谐波估计算法掣2 卜2 2 1 。 3 ) 全数字化永磁同步电动机伺服系统。各类新型高速微处理器和电机专用d s p 的出现，为伺服控制单元实现包括位置环、速度环、电流环的全数字化控制 奠定了孥实的基础，从而将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，不仅 大大简化了伺服系统的结构，提高了运行可靠性，而且在伺服系统中应用现 代控制理论的先进算法( 如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经网络等) 成为可能1 2 引。 4 ) 高动态性能变频调速的控制策略。尽管矢量控制与直接转矩控制使交流调速 系统的性能有了较大的提高，但还有许多领域有待研究，如磁通的准确估计 或观测：电机参数的在线辨识；极低转速包括零速下的电机控制；电压重构 与死区补偿策略。控制策略还将不断进步，例如：恒压频比控制、非线性控 制、自适应控制、滑模变结构控制、智能化控制等1 2 4 1 。 浙江人学坝i ? 学位论文第一帝 绪论 1 3 本文主要研究内容与论文章节安排 永磁同步伺服电动机有广阔的发展前景和应用场合，其设计、生产f 逐步走 向成熟，但它仍然存在一些不足和值得改进的地方，并且随着伺服驱动性能要求 的不断提高，需要设计出更高性能的永磁同步伺服电动机，需要更深入地探索和 研究。为此，本课题对永磁同步伺服电动机的设计特点和方法进行研究，对永磁 同步伺服电动机进行了有限元分析和计算，包括性能计算、气隙磁场、运行性能、 重要参数、控制仿真等，并丌发一台三相8 极、额定功率l k w 、额定转速 2 5 0 0 f f m i n 、额定转矩4 n m 的永磁同步伺服电动机，最后对样机的实际运行进行 了实验测试与分析，并验证了设计、分析方法的j 下确性。 论文的章节安排如下： 第一章、绪论。阐述了课题研究的背景和意义，简介了永磁同步伺服电动机， 并综述了永磁同步伺服电动机的研究现状、设计所存在问题，永磁同步电动机交 流伺服系统的发展前景。 第二章、永磁同步伺服电动机的设计分析。分析了永磁同步伺服电动机的运 行原理、数学模型，重点分析和研究了在主要尺寸的确定、转子磁路结构选择、 绕组分稚等各方面的设计，丌发了永磁同步伺服电动机的电磁计算程序。 第三章、永磁同步伺服电动机的有限元分析。深入研究了永磁同步伺服电动 机的有限元分析，包括气隙磁场的分析与优化，永磁体形状性能分析，电机稳态 运行性能分析，电机重要参数的有限元计算等。 第四章、永磁同步伺服电动机的驱动控制仿真。讨论了永磁同步伺服电动机 常用的控制方式，基于m a t l a b s i m u l i n k 建立了永磁同步伺服电动机i d - 0 控制仿 真模型并进行了仿真研究。 第五章、永磁同步伺服电动机的实验测试与分析。包括反电势波形与磁场波 形测试、性能曲线测试、直交轴同步电抗的测量，将测试结果与设计结果进行了 比较分析，验证了设计方法的正确性。 第六章、全文总结。 浙江人学硕j j 学位论义 第二帝水磁川步倒服i u 动机的戳计分析 第2 章永磁同步伺服电动机的设计分析 本章讨论了永磁夏步儡服电动机昀基本理论，针对永磁箴步伺服电动杌酶特 点，分析了主要尺寸的确定、转子磁路结构选择、绕组分布等备方面的设计，并 设计了4 n 。m 试验样撬。开发了基予磁路法酌电磁 算程序。 2 。l 永磁同步伺服电动机的基本理论 永磁同步伺服电动机作为调速永磁同步电动机，其在结构形式及理论分析上 都和菲调速永磁同步电动机类似，健分析时要综合考虑驱动控制、功率系统。 2 1 1 永磁同步伺服电动机的基本原理 永磁同步伺服电动机是以永磁体代替励磁绕组作为励磁豹一种电机，其运行 原理和电励磁同步电动机基本相同。永磁同步伺服电动机本体结构由定予、转子 和传感器三大部件组成。传感器的主要功能是检测转子磁场位置，提供电机速度 和位置信号，常用光电编码器。永磁同步伺服电动机依靠变频起动，在起动前必 须预先测出转子磁极的精确位置，这样：j 能使相应的电子开关电路根据转子磁场 角度需要来控制定子侧所需的电流频率和相位，使定予电流和转子磁链总是保持 确定的关系，从而产生恒定麴转矩。在调速应用中，永磁同步伺服电动机可由逆 变器来驱动，逆变器可以将d c 电源转换成具有所要求频率和幅值的a c 电源。 永磁丽步伺服电动机的基本工作原理是通过传惑器获得电机转子位置、转速信号 和电流值后，送入主控单元，控制器通过控制算法，并与系统给定信号进行比较， 从而得到逆变器的六路p w m 信号，实现了电机的自同步运行圈，如图2 一l 。 永磁同步伺服电动机的转矩与输入电流基本上成线性关系，这使得永磁同步伺服 电动机能精确、快速控制转矩和转速。 逆变器 图2 - 1p m s m 基本j i ：作原理图 9 浙江人学坝i ：学位论文第二帝水磁【刊步伺服i 【l 动机的设计分析 2 1 2 永磁同步伺服电动机的数学模型 分析永磁同步伺服电动机时常用d q 坐标系下的数学模型，可用于分析动态 性能和稳态运行性能。d 、q 、0 坐标系统将原来静止的定子绕组轴线a 、b 、c 相 轴线采用与转子同速旋转的d 、q 轴线及独立的零轴线，如图2 - - 2 。 图2 - 2 电机绕组轴线位置 d 、q 、0 坐标系与a 、b 、c 坐标系的变换矩阵为： 厅 c = 仁 3 c o s ( 9 一争 s i n ( 曰一争 压 c o s ( 臼+ 等) 一s 岬+ 了2 1 ) 压 ( 2 - i ) 当采用新的d 、q 轴线时，电枢绕组的自感系数及互感系数均由时变系数变 为与0 无关的常数；使相互电磁耦合的a 、b 、c 相绕组变为没有耦合关系的假想 的电枢d 、q ，解耦后便于获得良好的控制性能。在不计铁心饱和及铁耗、三相 电流对称、转子无阻尼绕组，d q 坐标系下永磁同步伺服电动机的数学模型【l 。3 1 为： 电压方程： 卜警一毗悃 k 警+ 毗咽岛 磁链方程： 妒d2l d t d + l m a l l 。y = l d i d + l f ，f = 厶f f ， 电磁转矩方程： t c n l = p ( g d i 一乙) = p 厶d i ：i q + ( l d l q ) i a i q ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 9 伯 一 m以训劬后 浙江人学顾1 ：学位论文第二章水磁j 几j 步伺服i u 动机的i 5 2 计分析 式中：、“。，屯、一定子d 、q 轴电压，定子d 、q 轴电流 一定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链 饥一定子交轴磁链，只包括定子交轴电流产生的磁链 ，一永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链 厶、l q 一定子绕组d 、q 轴电感 一永磁体等效励磁电流，其值为竹l d 厶d d 轴励磁电感 p 一极对数 现一角频率 r 。一定子绕组相电阻 以上三式还可写成空间相量形式，空间相量图如图2 3 。 u 。= + j u q = r , i , + - 山- - 万+ 国v 。 i-=+儿(2-5) w = v d + j v q 乙= p 、l ，。i 。 u s u q ； is l q 1 诋d a 相绕l l l 轴线 幽2 - 3 空间相鲑幽 从电磁转矩方程式( 2 4 ) 中可见，永磁同步伺服电动机的电磁转矩中有两个 分量，分别是定子交轴电流与永磁磁链相互作用产生的永磁转矩t m 和由于转子 磁路不对称所产生的磁阻转矩t ，。a b c 坐标系中的变量为稳态正弦量，采用功率 浙江人学硕。 ：学位论文第二章水磁m 步 o b j i 乜动机的设计分析 不变约束进行d q 变换，变换后相应的d 、q 轴量为恒定的直流量，且直流量的大 小为a b c 坐标系统下相应正弦量有效值的；倍，在电动机稳定运行时： u d2 一啡乙+ 蜀( 2 - 6 、 【甜g = q 厶+ q 竹+ r 乙= 纠竹+ ( 厶一厶) 屯】= 昙【p o + ( 局一_ ) 屯】( 2 - 7 ) 只。= q 正。= e o i 。+ ( x d x 。) 屯 ( 2 8 ) 其中，e o 为空载反电势，其值为每相绕组反电动势有效值的3 倍。 2 2 永磁同步伺服电动机的设计 永磁同步伺服电动机的设计，要根据产品规格、性能要求和外形尺寸等，结 合国家标准和生产实际，运用理论与计算方法，设计出性能符合、经济性好、工 作可靠的合格产品。其性能要求除了高效高转矩密度外，还包括调速范围宽、转 矩转速平稳、动态响应快速准确等。设计时，要和功率系统协调考虑，其中电磁 设计的主要任务是确定主要尺寸、转子磁路结构、定转子冲片尺寸、定子绕组分 布等参数 i - 2 1 。永磁同步伺服电动机调速传动系统的主要性能是它的调速范围和 动态响应性能。调速范围分为恒转矩区和恒功率区，如图2 - - 4 。转折速度一 般设计为额定工作转速，该点的额定运行状态需要进行磁路设计并进行热负荷计 算，希望该额定工作点有尽可能高的运行效率，同时需要计算该点的最大输出转 矩，并校核电机起动加速至该转速所需时间是否满足要求。本文所设计永磁同步 伺服电动机的额定指标是：额定功率p n = 1k w ，极对数p = 4 ，额定转速n - - 2 5 0 0 r m i n ，额定转矩t n = 4n m ，最大转矩1 2n m ，f 级绝缘，封闭，自冷却。 c a ) bc a ) 脏l x u 幽2 - 4 永磁同步伺服电动机的凋速范同 1 2 。 x d x 一 叫 h i 艮n 浙江人学坝i ：学位论文 第二章水磁m 步f u j 服i 【l 动机的设计分析 2 2 1 设计思路和方法 永磁同步伺服电动机的设计一般有磁路法和场路结合的设计法。传统的电磁 设计方法，即用磁路法完成设计，有条件时再对完成的设计方案进行磁场有限元 校核，作适当调整。其设计思路为：由技术要求确定转子结构，由转子结构和永 磁体性能确定磁负荷b ，由性能要求及散热条件确定电负荷a ，最后根据额定参 数和电磁负荷确定主要尺寸d 、l 。该方法的优点是思路清晰、参数确定、方案 易调整，缺点是经验参数多，计算精度较低。 场路结合的设计方法【2 6 - 2 7 1 以电磁场有限元分析为基础，磁参量用有限元分析 得到，电路参数按路的方法计算。其优点是磁场分析精度较高，缺点是负载磁场 分析时定子等效电流的幅值和位置不定，所以磁场分析和路的计算必须相结合。 场路结合的c a d 软件流程如图2 5 。 2 2 2 主要尺寸及气隙选择 图2 5 场路结合的c a d 流程图 校 核 调 整 永磁同步伺服电动机的主要尺寸可由所需的最大转矩和动态响应指标确定 i - 2 。在保证电机动态响应性能指标的前提下确定定子内径的最大值，并由此确 定电动机的定子铁心长度。针对表面式转子磁路结构，设计过程如下： 永磁同步伺服电动机主要尺寸与电磁负荷、最大转矩之间的关系为： 。i 2 1 l 。f = 流 ( 2 - 9 ) 浙江人学颁l ：学位论文第二章水磁m 步f q 服i 【l 动机的设计分析 式中，b 。为气隙磁密基波幅值；a 为电负荷，a = 垫等等；d ，为电枢直径。 永磁同步伺服电动机的动态响应性能指标体现在最大转矩作用下电动机静 止加速到转折转速所需时间厶的大小，最大转矩与“之间满足下式： k 缸= 等等p tp l h ( 2 - 1 0 ) j 为电机系统的转动惯量，近似表示为：= 三陬l 。，( 譬 4 ( 2 一1 1 ) 根据以上( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式，得到定子内径为： d l | =( 2 - 1 2 ) 上式得到的d 是在保证动念响应性能指标的前提下可选择的定子内径最大 值。对于小型三相感应电动机，根据电负荷与额定功率的关系曲线【2 引，其电负 荷为1 6 0 a c m ，由于永磁同步伺服电动机用于高精度加工和高性能伺服控制领 域，为避免电机温升对加工机械的影响，故电机的温升应该比常规电机低一些， 取较低的电负荷，这罩取a - 1 5 0 a c m 。永磁材料采用高剩磁、高矫顽力的钕铁 硼永磁体n 3 5 s h ，故基波磁密b 6 l 取l 。最小起动时间t b 1 0 m s 。为了提高电机 的动态响应速度，设计时考虑耿较大的主要尺寸比，以减小电机的转动惯量。最 后根据式( 2 9 ) 和( 2 1 2 ) 确定d i l = 6 4 c m ，l = 6 c m 。定子外径的确定一般 在保证电动机足够散热能力的自 提下，可以加大定子外径以提高电机效率或减小 外径以节约成本，这罩取1 0 2 c m 。 永磁同步伺服电动机的气隙长度一般大于同规格感应电动机。当采用高性能 稀土永磁材料时，稍微增大气隙不会引起电机肿i - t 厶匕月b 的改变。电机气隙的选择不仅 与转子磁路结构有关，还和电机的弱磁扩速能力要求有关。内置式的转子磁路结 构并且要求一定恒功率运行速度范围的永磁同步伺服电动机，气隙不宜太大，否 则导致电动机的直轴电感过小，弱磁能力不足。本文采用表面式转子磁路结构， 需要加非导磁材料的磁体保护套，其气隙较大，所以最小气隙取l m m 。 2 2 3 定子槽形与绕组设计 永磁同步伺服电动机的定子结构与感应电动机相似，定子常采用由o 5 m m 1 4 厚的硅钏片叠压n j 成以减小磁场引起的涡流损耗和磷滞损耗，j 一面冲有均匀分自l 的柑，内嵌二相对称绕组。定子常用斜桤以降低凿槽转蛳、振动删噪声。定子槽 形通常来用半闭口槽，其中梨形楷的槽面积利用率高，州，模寿命长，且楷绝缘的 弯曲程度较小，不易损伤，应用广泛，如图2 - 6 ( a ) ，所以本文采用梨形槽。 措数选择可配台转子极对数并 i ! i 合普通异步电动机选取定子槽数的原则米进行。 在极数、相数已定的情况下定子槽数决定于每极每相槽数q ，而q 的大小对电 机的参数、损牦、温升及绝缘消耗量都有影响所以要选择台遁的每极每相槽数。 定，转子材料采用d w4 7 0 - 5 0 ，酗吐钢片是属无1 0 ( 向冷轧硅钢片，它具有较窄 的磁滞曲线，较小的矫顽力高的饱和磁感很高的融导率以及较高的电阻率， 常用于中小型电4 i l 、微型电机、焊接变堰器和继 u 器等i ”】。定予绕组j 丑常由喊 铜线绕制l f 【成+ 采用分柿及短矩的定子绕组以得到接近正弦的柑电动势。单双层 绕组与巾层绕组柑比有烈层绕组的特性，有较好的气隙磁场波形，较低的损耗， 提高了幕波绕组系数等优点。奉史所采用的单双层短距绕组如图2 6 ( b ) 。绕 组饵柑；p 戕匝数刈以根掘公式n = ! 等! 鲁l 米确定，墩1 3 8 。 z 删l 女i “26 ( a ) 梨形 曾 2 24 转子磁路结构的选择 水融同, 步o s n 电动机的转r 结构形式多种多样，山于采用变频起动r 可以省 去片步起动水磁同步- 乜动机所具有的转r 谴形绕组，小同的转子磁蹄结构刘于电 机的运行眭能、控制系统、适片i 场合等紧密联系。转子磁蹿结构的选抒主要考虑 机械强度、有无恒功率运行要求及加工成本等。当电动机最高转述不是很高时， 、，、厂、，1 鹕一“醚* 十d u m h l & h 丹* 可以选用表向凸出式转于磁路结构有足够机械强度、 n 工工艺简单、成本低： 如果电机要求一定的恒功率运行速度范围，应采用内置式转子磁路结构，易于弱 磁扩速有较强的抗去磁能力。 按照水磁体在转于位置的不司，水磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为 三种：表面式、内置式、爪极式1 1 。2j l ”j 。其中表面式，永碰体通常旱瓦片形并 位于转子铁心的外表面上，承磁体提供磁通的方向为径向。表面式转子磁路结构 叉分凸出式和插入式，表面凸出式转子在电磁性能上届于臆极转子结构，具有结 构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，如图2 7 ( a