（电机与电器专业论文）基于滑模观测器的可控磁通永磁同步电机控制系统研究.pdf

a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lp e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm a c h i n e ( p m s m ) o b t a i n st h e w i d e s p r e a da p p l i c a t i o nf o ri t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，h o w e v e rt h eo p e r a t i o nr a n g eo f p m s mi si i m i t e db e c a u s et h ef l u xo ft h er o t o rc a n n o tb ew e a k e n e d an e wk i n do f i n t e r n a l c o m p o s i t e - 。r o t o rc o n t r o l l a b l e f l u xp m s mi s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e m a c h i n em a k e sf u l lu s eo ft h en d f e ba n da l n i c om a g n e t s t h er a d i a l s e tm a g n e t s a r en d f e bw i t hh i g hr e m a n e n tf l u xd e n s i t ya n dc o e r c i v ef o r c e t h e t a n g e n t i a l s e t m a g n e t sa r ea l n i c ow i t hh i g hr e m a n e n tf l u x d e n s i t ya n dl o wc o e r c i v ef o r c e a p p l y i n gap u l s eo fs t a t o rc u r r e n t 豇，t h em a g n e t i z i n gi n t e n s i t ya n dd i r e c t i o no f a l n i c oa r ec o n t r o l l a b l e ，w h i c hm a k e st h ea i r - g a pf l u xc r e a t e d b yn d f e bi s c o n t r o l l a b l e ，a n dt h ep m s mo p e r a t e si naw i d es p e e d t h ef o c u so ft h i sd i s s e r t a t i o ni so nt h er e s e a r c ho fc o n t r o ls t r a t e g yo fp m s m v e c t o rc o n t r o ld r i v es y s t e m s o nt h eb a s i so fp m s mm a t h e m a t i c a lm o d e lr e s e a r c h v e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da d o p t i n gs v p w m t h ec o n t r o ls y s t e mi sa c c o r d i n g t ot h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fi n t e r n a lc o m p o s i t e r o t o rc o n t r o l l a b l e f l u xp m s m w h e nt h em o t o rn e e dn o tc h a n g et h ef l u xo ft h er o t o ht h ek = 0s t r a t e g yi sa d o p t e d w h e nt h ef l u xo ft h er o t o rn e e dt ob ec h a n g e d ，t h ec u r r e n t 厶w i l lb es e tt oz e r ob y l o g i c a lc o n t r o l l e r ，a n da ni m p u l s eo ft h ei dw i l lb ec r e a t e d t h em a g n e ti nt h er o t o r w i l lm o v et h e i ro p e r a t i n gp o i n tt oan e w p o s i t i o n t h es t a t u so ft h em a g n e t i cc i r c u i ti n t h er o t o ri s c h a n g e d a n dt h e nt h em o t o rc o m eb a c kt ot h es t e a d ys t a t u sw h i c ha l s o u s e st h e 妇。0c o n t r o ls t r a t e g y t h ec o n t r o ls t r a t e g yh a so v e r c o m et h et r a d i t i o nv e c t o r c o n t r o ls y s t e m si n s u f f i c i e n c y s i m u l a t i o nm o d e lo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sb u i l t t h e t h o r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c hh a v eb e e nc a r r i e do nt ot h e v e c t o rc o n t r o ls y s t e m af l u xo b s e r v e ri sd e s i g n e du s i n gt h es l i d i n gm o d e t h ef l u xo b s e r v e ri su s e di n t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n t e r n a l c o m p o s i t e r o t o rc o n t r o l l a b l e f l u xp m s m p r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f a c c u r a t er o t o rf l u xe s t i m a t i o n t h es o l u t i o ni sb a s e do n s l i d i n gm o d ec o n t r o l t e c h n i q u e t h ef l u xo b s e r v e ru s i n gt h em o t o rt e r m i n a lv o l t a g e ，t h ec u r r e n ta n ds oo no b t a i n s r o t o rf l u xi n f o r m a t i o ni n d i r e c t l y t h er o t o rf l u xi n f o r m a t i o nw i l lb eu s e da sar e f e r e n c eq u a n t i t yb y l o g i c a lc o n t r o l l e ro f i di m p u l s e s i m u l a t i o nm o d e lo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tw i t hm a t l a b s i m u l i n k t h e s i m u l a t i o nr e s u i t sa r ea n a l y z e d ，a n dt h ep r o p o s e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n gs l i d i n g m o d eo b s e r v e ri sp r o v e dv i a b l e t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n t e r n a lc o m p o s i t e r o t o r c o n t r o l l a b l e f l u xp m s mh a sf a v o r a b l es t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：p m s m ；c o n t r o l l a b l e f l u x ；v e c t o rc o n t r o l ；s l i d i n g m o d ef l u x o b s e r v e r 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞基堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孑乙釜央签字日期：么加7 年岁月乙驹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孔蚀 签字日期：沙彳年g 月谬同 i 新虢7 彳矽 签字日期：秒。? 年夕月砂秽日 第一章绪论 1 1 永磁电机的概述 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 1 永磁电机的发展过程 电机的气隙磁场是电机能够产生感应电势和电磁力矩的不可缺少的因素。为 了建立所需的气隙磁场，电机磁路需有一定的磁势源来励磁。为了在电机内建立 用于机电能量转换所必须的气隙磁场，有两种行之有效的方法。第一个是使用通 电绕组来产生磁场，称为电励磁；另一种则是使用永磁体。前一种方法在普通的 直流电机和同步电机中被广泛的使用，但是这种电励磁的电机既需要有专门的绕 组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动。而后一种方法使用了永 磁体的固有特性，在充磁之后不需要额外的能量就可以保持恒定的磁场。这种方 法既可简化电机结构，又可节约能量。 永磁电机的制造有着悠久的历史，且与永磁材料的发展有关。在二十世纪三 十年代已经制成了许多永磁电机，从四十年代初到五十年代，永磁电机有了迅速 的发展，广泛应用于航空工业、交通运输、农业机械、无线电工业、高速驱动和 自动化系统中。永磁直流电机的制造容量可以达到数百瓦甚至数千瓦；而永磁交 流发电机的制造容量也逐步扩大。随着冶金技术的不断发展以及新型磁性材料的 不断推出，永磁电机的种类、使用范围和制造容量得到扩大。最开始人们使用天 然的磁性材料代替电励磁，但是由于天然的磁性材料剩磁太弱，用它制成的电机 体积庞大，不久就被电励磁电机所取代。在上个世纪三十年代，美国的贝尔实验 室开始推出第一代人工永磁材料铝镍钴，从此才开始永磁电机的实用化研究。上 个世纪五十年代铁氧体材料研制成功，大大降低了永磁电机的成本。这段时期在 永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展， 形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝镍钴永磁的 矫顽力偏低( 3 6 - 1 6 0 k a m ) ，铁氧体永磁的剩磁密度不高( 0 2 - 0 4 4 t ) ，限制 了它们在电机中的应用范围。一直到六十年代至八十年代间随着钐钴永磁材料和 钕铁硼永磁材料( - - 者统称为稀土永磁) 的相继问世，为永磁电机的研制工作揭 开了新的天地。稀土永磁材料的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲 线等优异的磁性能特别适合于制造永磁电机，从而使永磁电机的发展进入一个新 的历史时期。 第一章绪论 目前，永磁同步电机采用的永磁材料主要包括有a l n i c o ( 铝镍钴) 、c e r a m i c ( 陶瓷) 、f e r r i t e s ( 铁氧体磁性材料) 、r a r ee a r t h ( 稀土材料，即s m c o ( 钐钴) 和n d f e b ( 钕铁硼) ) 等。特别是1 9 8 3 年问世的钕铁硼永磁材料，由于其磁性 能优异、成本低廉和来源充足等原因，得到了广泛的研究和应用开发。 稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段：19 6 7 年美国k j s t m a t 教授发现的 钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可以表示成r c 0 5 ( 其中r 代表钐、镨等 稀土元素) ，简称1 ：5 型稀土永磁，产品的最大磁能积现已超过1 9 9 k j m 3 。1 9 7 3 年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式可以表示成r 2 c 0 1 7 ，简称 2 ：1 7 型稀土永磁，产品的最大磁能积现已超过2 5 8 6 k j m 3 。1 9 8 3 年日本住友特殊 金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼( n d f e b ) 永磁，在实验室中 的最大磁能积高达4 3 1 3 k j m 3 ，商品生产现已达3 9 7 9 k j m 3 ，称为第三代稀土永 磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其它永磁材料，价格又低于稀土钴永磁材料， 在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物资钴，因而引起了磁学 界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新 的更高性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等。 与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、 航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。( 2 ) 2 0 世纪8 0 年 代，特别是1 9 8 3 年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，研究开发重点转到工业 和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅 猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实 现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。( 3 ) 进入2 0 世纪9 0 年代以来，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，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，除了大力推广和应用已有成果，使永磁电机在国防、工农业生 成和日常生活等方面获得越来越多广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入 一个新阶段。另外，近年来其它科学技术的不断进步也推动了永磁电机的深入研 究，提高了制造和控制的技术水平。计算机技术的发展大大推动了电磁场数值计 算的发展，使得可以较精确的控制永磁材料的使用，设计更加合理的磁路结构。 而m o s f e t 、i g b t 等电力电子器件和控制技术的迅猛发展使得控制电机磁场有 了越来越多的选择。而快速的微控制器和数字信号处理器使得原来非常复杂的控 制算法可以得到实用化。一方面，永磁电机的研究正向大功率化( 高转速、高转 矩) 、高功能化和微型化方向发展。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算 方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现了崭新的局耐2 j 。 第章绪论 我国是稀土大国，稀土资源十分丰富，稀土永磁产量己居世界首位，稀土矿 的储存量为世界其它各国总和的四倍左右，号称“稀土王国 。但稀土永磁产量 的三分之二用于出口，在国内销售的三分之一中用于电机的比例很低，而高性能 稀土水磁电机却随着计算机、飞机、数控机床等产品大量进口。仅数控机床因电 机和传动控制系统不合要求而每年进i ；32 2 亿美元以上【3 】。因此充分发挥我国稀 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，对实现我国现代化具有重要的理论意义和现实价值。 1 1 2 永磁电机的特点 由于使用永磁材料提供电机电能和机械能相互转换所必须的磁场，永磁电机 在具有一般电机的通性之外还具有自己的一些特点。 ( 1 ) 永磁电机不需要直流励磁电源。对于交流同步电机来说，省去了自励 系统或附加直流电源；对于直流电机来说，可以减少电源的耗电量；对于许多整 机装置和设备来说，具有重要的经济价值。 ( 2 ) 永磁电机没有励磁绕组，节省了电机的用铜量，减少了电气铜耗。在 微型和小容量范围内，电机的重量、体积、效率和成本等技术经济指标都将得到 改善。此外，永磁交流电机不需要电刷和滑环等接触装置，这不但减少了机械和 电气损耗，而且实现了无刷或无接触式的电机结构，由于极间没有绕组，采用永 磁式极为合适。永磁电机的有效材料具有铁多铜少的特点。 ( 3 ) 永磁电机体积小、重量轻、结构简单、易于生产和维护。特别是稀土 永磁材料的不断推出使得提供同样大小磁通所需要的材料体积逐渐下降。同时内 嵌永磁体结构转子使用整体的冲片，转子结构相当坚固可靠。 ( 4 ) 永磁电机损耗小、效率高、功率密度高、经济环保。永磁同步电机由 于转子没有电阻损耗，减少了转子发热，从而可以减少冷却风扇，进一步减少了 风摩损耗。对于那些要求低功耗和环保的产品这一点尤其重要。 ( 5 ) 相比感应电机，永磁电机在运行中功率因数比较高，甚至可以为容性。 大大减少了无功电流，同时也使得定子总电流下降。 ( 6 ) 目前永磁电机是各国科研的热点，已经有较多的驱动和控制设备面世。 各种新型的永磁电机结构不断推出的同时，很多成熟的先进控制算法也不断的在 永磁电机的控制中得到了应用【4 】。 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功 率因数( 可达到l 、甚至容性) ，减小了定子电流和电子电阻损耗，而且在稳定 运行时没有转子电阻损耗，进而可因总损耗降低而减小风扇( 小容量电机甚至可 以去掉风扇) 和相应的摩擦损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高2 第一章绪论 8 个百分点。而且，永磁同步电动机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可保持较 高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。这类电机一般都在转子 上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力，又称为异步永磁同 步电机。由于钕铁硼永磁同步电动机价格比同规格的感应电机贵一倍左右，应用 前需要进行经济比较分析。目前主要应用于纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运 行时间长的风机、水泵等。 1 1 3 永磁电机的种类及用途 永磁电机的分类方式有很多【5 】。 永磁电机按照运动方式分为：直线永磁电机、盘式永磁电机、圆柱式永磁电 机和平面式永磁电机。 按照永磁极排列方式分类：转子面装式、转子内置式径向磁化永磁极、转子 内置式切向磁化永磁极、横向磁场与混合磁场的永磁电机。 按照电机种类划分：永磁直流电机、永磁无刷直流电机、永磁式开关磁阻电 机、永磁同步电机、永磁步进电机、混合式步进电机和混合励磁电机等。 按照旋转电机气隙磁场方向分类：径向磁场、轴向磁场和横向磁场永磁电机 世 寸。 按照旋转电机安装结构方式分类：内定子外转子、内转子外定子、内外定子 中间杯形转子、内外转子中间定子和多对定转子组合等结构的永磁电机。 按照永磁材料分类：铁氧体、铝镍钴、钕铁硼、和钐钴等永磁材料的永磁电 机。 永磁电机主要包括永磁交流电机和永磁直流电机两大部分。 其中，永磁交流电机目前主要包括 ( 1 ) 发电机类：包括永磁同步发电机、永磁交流测速发电机、永磁感应子 式发电机和点火永磁电机等。永磁同步发电机包括工频和中频发电机、交流机和 变频机( 永磁交流机组) 。它们的制造容量从数瓦到数十千瓦，用于交通运输、 农业机械、航空工业、矿山和石油化工、仪器仪表工业、无线电工业和自动化系 统中，作为单相或三相交流电源，通过整流，还可以作为大型发电机的副励磁机。 永磁交流测速发电机用来测量传动系统( 飞机、航海、机车等) 的行速和机电传 动的转速，或作为遥控和自动化系统中的检测原件。永磁感应子式发电机也称为 磁阻交变式。这种电机通常用作单相中频电源。磁电机是内燃机的点火系统中用 来产生高压电源的一种电机，是最简单的永磁交流发电机。 ( 2 ) 电动机类：包括直流无刷电动机、永磁同步电动机和永磁低速同步电 动机，还可包括磁滞电动机，但磁滞电动机的工作原理和对材料的要求与其它永 4 第一章绪论 磁电机有所不同。 1 2 永磁同步电机控制系统的研究现状和发展方向 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的需求，促使世界各 国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是2 0 世纪7 0 年代以后，由于科学技术 的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此交流 调速理论及应用技术大致沿下述四个发面发展1 6 j 。 | ( 1 ) 电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变 流装置的现代化 电力电子器件是现代交流电机调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流 调速的发展。电力电子器件已经从第一代的s c r 、经过第二代有自关断能力的 g t r 、g t o 、m o s f e t 发展到目前的第三代i g b t 、s i t 、m c t 等复合场控器件， 并不断向集成化、智能化方向发展。智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l r i p m ) 是向第四代功率器件集成电路( p i c ) 发展的过度产品，是微电子技术和 电力电子技术相结合的产物。在i g b t 的基础上，它不仅提供一定的功率输出能 力，而且集成了逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，由于采用了隔 离技术，散热更均匀，体积更加紧凑，是功率器件的重要发展方向。 永磁同步电机控制系统用电力电子器件的选择主要考虑其电压、电流、开关 频率、功率损耗和动态性能等。目前i g b t 及i p m 由于其高输入阻抗、高开关 速度和低导通损耗等优点而成为永磁同步电机控制系统电力电子器件的首选。 ( 2 ) 脉宽调制( p w m ) 技术 脉宽调制( p w m ) 技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类 交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。 脉宽调制( p w m ) 技术种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可以分 为四类，分别为宽p w m 法、正弦p w m 法( s p w m ) 、磁链追踪型p w m 法以 及电流追踪型p w m 。p w m 技术的应用克服了相控原理的素有弊端，使交流电 动机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的功率因数和输出效 率。现代p w m 生成电路大多采用具有高速输出口h s o 的单片机( 如8 0 1 9 6 ) 及数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，通过软件编程生成p w m 。 ( 3 ) 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的 基础 在变频技术发展的同时，交流电机控制理论也取得了突破性的进展。1 9 7 1 年由德国人f b l a s c h k e 首先提出了交流电动机的矢量变换控制理论，从理论上 第一章绪论 解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。交流电动机是个多变量、非线性、强 耦合的被控对象，采用参数重构等现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电 流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直 流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从 而使交流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速特性要求比较高的生产工 艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明采用矢量控制的交流调 速系统的优越性高于直流调速系统。但是矢量控制也存在如系统结构复杂、非线 性和电机参数变化影响系统性能等缺陷1 7 】。 l9 8 5 由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授提出了一种新型变频调速技术直 接转矩控制技术，并首先取得了实际应用的成功。近十几年的实际应用表明，直 接转矩控制技术与矢量控制法相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。 但上述两种交流电动机的基本调速理论都存在着不足。近年来又派生出了许 多新的控制理论，例如多变量解耦控制、变结构滑模控制、最优控制、自适应控 制、模糊控制、神经网络、遗传算法等各种新型的控制理论不断出现并得到了深 入的研究，取得了许多有益的成果，也成为当前研究的热点。这一局面的出现同 计算机技术和微处理器的迅速发展是分不开的，正是它们的发展使得复杂的控制 理论的实现变为可能。 ( 4 ) 微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代 交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证 交流调速从开始应用时起经过了十几年，其控制器( 或系统的控制回路) 多 由模拟电子电路组成。近几十年来，由于微机控制技术，特别是以单片机以及数 字信号处理器d s p 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用及大规模 集成电路的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。 如今模拟控制器已被淘汰，全数字化的交流调速系统已普遍应用峭】。 数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制， 如矢量控制中复杂的坐标变换运算、解耦运算、滑模变结构控制、参数辨识的自 适应控制等，采用微机控制器后都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机 的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方 面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。 微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了调速系统的可靠性和操作、设 置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的 数字控制已成为现在交流调速系统的主要特征之一。 永磁同步电动机控制系统工作的特点是大负载变化和宽调速范围。恶劣的工 况、电机参数的变化都将对系统性能造成极大的影响；同时永磁同步电动机系统 第一章绪论 的实时性要求比较高，要求保证系统良好的动态与稳态性能。因此研制高水平的 适合运行特点的全数字化永磁同步电动机矢量控制系统可以简化系统硬件结构、 提高性价比及抗干扰能力。 1 3 本课题的研究背景及意义 由以上论述可知，传统永磁同步电机由于转子上永磁体的存在，弱磁困难， 调速范围受到限制。稀土永磁体由于具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特 点，因而在永磁体的安放和磁路的设计上有很大的灵活性，可以根据实际使用场 合的需要，制成不同转子磁路结构的永磁同步电动机。近年来内置式转子磁路结 构永磁同步电动机在一些动态性能较高的领域得到了广泛的应用。这种电机一个 极距下的磁通由相邻的磁极并联提供，因而每极磁通较大，而且漏磁系数小，转 轴上不需要任何隔磁措施。但是这种电机的不足之处在于，一旦磁路结构设计完 成，电机中的气隙磁通就被固定下来，当电机需要弱磁调速时，只能通过持续的 去磁电流产生去磁磁动势削弱气隙磁场，维持高速运行时电机电压的平衡，造成 了电机调速范围不宽同时损耗大的缺点。 因此想要彻底解决永磁同步电机调速范围有限的这个问题，最有效的方法就 是直接控制转子的磁通，使永磁转子可以像传统电励磁同步电机一样通过调节励 磁来改变转子磁通，并可以在不同的调速阶段维持特定值，保持电机的高效运行。 同时，电机的结构必须简单可靠，仍需要保持永磁同步电机制造和维护工艺较低 的优点。德国人v l a d oo s t o v i c 最先提出了可控磁通永磁同步电机的思想，因其 可以改变电机转子永磁体的磁化强度并对磁通密度具有记忆性，因而被称为 记忆电机【9 1 。记忆电机可以通过一个短电流脉冲改变永磁体的磁化情况，而不像 传统内置式永磁电机弱磁方式那样需要持续地施加去磁电流。记忆电机具有转子 磁通可变和宽调速的优点，从而在电气传动领域具有广泛的应用潜力。但上述转 子结构也有其不足之处，一方面这种记忆电机选用的永磁体是价格比较昂贵的铝 镍钴，所以成本相对较高。另一方面虽然切向磁路结构适合于极数较多的电机， 但由于永磁体选用剩磁密度高但矫顽力低的铝镍钴，要想获得足够的气隙磁密， 则铝镍钴的厚度就要很高，这在切向磁路结构下不易实现。 可控磁通永磁同步电机在低速运行的时候能实现恒转矩调速，高速的时候通 过弱磁控制实现恒功率调速，因而具有较宽的调速范围。考虑在逆变器容量一定 的情况下，该电机提高了系统的性能。对于需要宽调速，而电压幅值有限的场合， 如采用电池作为能源的电动汽车中，弱磁能力强的可控磁通永磁同步电机就可以 大大减少逆变器的容量，拓展调速的范围。所以对于永磁同步电机的弱磁性能的 第一章绪论 研究具有非常重要的意义。 综上所述，本论文主要研究一种新型内置混合式转子可控磁通永磁同步电机 及其控制系统，该电机利用剩磁密度和矫顽力都比较高的钕铁硼产生工作需要的 气隙磁密，利用剩磁密度比较高而矫顽力比较低的铝镍钴实现调整气隙磁密的目 的。在对记忆电机转子结构改进的基础上，将转子电励磁式电机( 转子磁通可变) 和宽调速电机( 没有励磁损耗) 的优点结合起来，实现电机转子永磁磁通可控的 目的，具有比较宽的调速范围。 1 4 本课题的主要工作 本课题主要研究一种内置混合式转子可控磁通永磁同步电动机，以及这种电 机的基于滑模变结构转子磁链观测器的控制系统，主要工作包括以下方面： ( 1 ) 分析并了解内置混合式转子可控磁通永磁同步电动机的基本结构。 ( 2 ) 研究p m s m 的数学模型、矢量控制技术以及电压空间矢量控制的基本 原理和方法。 ( 3 ) 在深入研究传统矢量控制策略的前提下，结合本电机的特点，研究适 合于这种新型电机的控制策略。研究滑模变结构控制理论，并设计基于该理论的 转子磁链观测器。 ( 4 ) 设计基于滑模转子磁链观测器的内置混合式转子可控磁通永磁同步电 机控制系统，并用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，对仿真结果进行分析。 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 2 1 永磁材料及其性能 永磁电机的设计制造特点、应用范围和性能都与所选用的永磁材料性能密切 相关。永磁材料性能的优劣，不但影响永磁电机的功能指标和运行特性，也影响 永磁电机的磁路尺寸和外形尺寸。在永磁体众多的性能指标中有三个指标是电机 设计中最为关注的，即磁性能、物理性能以及基本性能。纵观永磁电机发展历史， 每当出现一种新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促使电机 的设计理论、计算方法和结构工艺的研究提高到一个新的阶段。随着新的永磁材 料的继续出现、永磁材料性能的进一步提高和电力电子元件性能的不断完善，永 磁电机的理论研究和产品开发将会得到进一步发展，从而使得永磁电机性能更 好、功能更全、产品的附加值更高，在工业和民用产品中的应用领域将会更广泛。 目前永磁材料在电子、汽车、计算机、电力、机械、能源、环保等众多领域得到 了广泛的应用。永磁材料种类繁多，性能相差极大，必须在详细了解各种永磁材 料特性之后才能做到设计合理，使用得当。 本课题研究的内置混合式转子可控磁通永磁同步电机中主要使用了n d f e b 和a l n i c o 两种永磁材料。该电机正是在恰当利用这两种永磁体特性的基础上设 计了特殊转子磁路结构，从而实现转子永磁磁通可控。下面对这两种永磁体的性 能指标进行一些简单的评述1 1 。 2 1 1 铝镍钴永磁材料及其性能 在人工永磁材料中，a l n i c o 已经有了八十多年的历史。铝镍钴作为最早出 现的一种人工永磁体，随着铁氧体和钕铁硼等新型永磁体的推出，在电机中所占 的比例逐渐下降。但是a l n i c o 的温度系数是所有永磁材料中最小的，工作温度 最高，时间稳定性好，而且耐腐蚀，因此在很多重要领域一直占据不可替代的位 置。铝镍钴永磁的内禀退磁曲线与退磁曲线很接近，内禀矫顽力风i 与矫顽力腹b 相近且很小，因此在使用过程中，严格禁止与任何铁器接触，以免造成局部不可 逆退磁或磁通分布的畸变。另外为了加强它的抗去磁能力，铝镍钴永磁磁极往往 设计成长柱体或长棒形。铝镍钴永磁是以铁镍铝为基础的采用浇铸法制造的合 金，一般分铸造型和粉末烧结型两种。铸造型的磁性能较高，粉末烧结型的工艺 简单，可直接压制成所需形状。在永磁电机中常用的是铸造型，本课题电机也选 9 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 用铸造型铝镍钴】。 铝镍钴永磁体的磁性能与合金的成分和人处理工艺有关，合金的成分对磁性 能影响很大。除了合金成分外还可以通过最优热处理工艺( 磁场热处理) 和晶体 取向( 晶体定向化) 的控制方法来提高铝镍钴永磁体的磁性能。铝镍钴永磁硬而 脆，可力n z i ：性能较差，仅能进行少量磨削或电火花加工，因此加工成特殊形状比 较因难。铝镍钴永磁含战略物资钴，所以一般价格比较昂贵。铝镍钴永磁材料的 剩余磁感应强度较高，最高可达1 3 5 t ，但矫顽力很低，通常小于16 0 k a m 。它 的退磁曲线呈非线性变化，如图2 1 所示。 1 2 01 0 0 8 0 6 04 02 00 h k a 试1 图2 1几种不同型号a l n i c o 的退磁曲线 一般电机在使用永磁体的时候，工作点都选取第二象限的退磁曲线。但在本 电机中，a l n i c o 在外加磁场的作用下工作点需要在整个平面上移动。这是它和 一般永磁电机不同之处。由于铝镍钴永磁体的回复线与退磁曲线并不重合，在磁 路设计制造时要注意它的特殊性。在普通电机中，由它构成的磁路必须事先对永 磁体进行稳磁处理，即事先人工预加可能发生的最大去磁效应，人为地决定回复 线的起始点的位置，使永磁电机在规定或预期的运行状态下，回复线的起始点不 再下降。而在内置混合式转子可控磁通永磁同步电机中，由于铝镍钴永磁体的磁 化状况根据控制要求而不断变化，因此不需要对永磁体进行预先处理。 2 1 2 钕铁硼永磁材料及其特性 钕铁硼永磁材料是19 8 3 年问世的高性能永磁材料，是我国鼓励发展的新材 料，主要有烧结、黏结型。钕铁硼永磁材料的磁性能高于稀土钴永磁，室温下剩 余磁感应强度层可以达到1 4 t ，矫顽力腹可以达到9 9 2 k a m ，最大磁能积高达 3 9 8 k j m 3 ，是目前磁性能最好的永磁材料。由于组成成分钕( n d ) 的资源比较充 分，而铁和硼的价格便宜，又不含战略物资钴，所以在工业和民用的永磁电机中 迅速得到推广应用。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一般为3 10 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 4 1 0 c 左右；温度系数较高，屏的温度系数可达0 1 3 k ，鼠的温度系数达到 0 6 - 0 7 k ，因而在高温下使用时磁损失较大【j 引，如图2 2 所示，随着温度 的升高，剩磁磁感应强度和矫顽力随之降低，但是其内禀矫顽力减小的非常快， 抗去磁能力大大减弱。因此使用普通钕铁硼永磁材料时，一定要校核永磁体的最 大去磁工作点，以增强其可靠性。作为合金，n d f e b 中含有大量的硼、铁和钕， 非常容易产生锈蚀的问题，所以要对其表面进行涂层处理，目前常用的涂层有环 氧树脂喷涂、电泳和电镀等，一般涂层厚度为10 4 0 l a m 。 h k a m 1 图2 2 不同温度下n d f e b ( n t p 2 5 6 h ) 的退磁曲线和内禀退磁曲线 2 2 内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的基本结构 一般传统的永磁同步电机在设计转子磁路和永磁体尺寸时都应考虑到即使 出现了最极端的工况也应防止永磁体退磁。因为传统永磁电机永磁体一旦退磁， 再重新磁化永磁体是做不到的。因此在最高运行温度下，永磁同步电机中永磁体 的厚度应该足够大，从而保证电枢反应所产生的去磁动势低于永磁体的矫顽力。 在v l a d oo s t o v i c 提出的可控磁通永磁同步电机记忆电机设计思想的基 础上，本课题组提出了一种新型内置混合式转子可控磁通永磁同步电机，克服了 原记忆电机结构和功能上的不足，实现了真正意义上的宽范围调速。内置混合式 转子可控磁通永磁同步电机也是由定子、转子和端盖等部件构成。定子铁心与普 通感应电动机完全相同，同样采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁 心可以用叠片叠压而成，也可以做成实心的。使用叠片叠压而成的转子主要是便 于加工制造，降低工时，提高劳动生产率；同时可以有效的减少电枢反应高次谐 波磁场在转子上引起的涡流损耗，本课题也采用叠片式转子结构。电枢绕组采用 分布短距绕组f l 引，为了减小定子绕组中3 次及3 的倍数次谐波电动势产生的附 加损耗，定子绕组采用星形接法。永磁同步电机的气隙长度是非常关键的尺寸， 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 尽管它对这类电动机无功电流的影响不如对感应电机那么敏感，但是它对电动机 的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其它性能。此外气隙长度的大小 还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。本文提出的内置混 合式转子可控磁通永磁同步电机基本结构如图2 3 所示。 1 电机转轴2 轴承。3 端盖4 定子绕组5 机座6 定子铁芯7 一铝镍钴永磁体 8 钕铁硼永磁体9 转子铁芯1 0 冷却风扇1 1 风罩1 2 位置传感器 1 3 传感器电缆1 4 一电机电缆1 5 变频器1 6 、1 7 、1 8 非导磁材料 图2 - 3内置混合式转子可控磁通永磁同步电机整体结构图 由于在实际应用中最常见的是4 极和6 极电机，因此结合4 极和6 极内置混 合式转子可控磁通永磁同步电机横向剖面图对电机的结构做进一步介绍。 4 极内置混合式转子可控磁通永磁同步电机横向剖面如图2 - 4 所示。转子由 硅钢片冲剪、叠压而成，无特殊工艺要求，转子铁芯为一个相互完全贯通的整体 结构，机械强度相对较高，制做方便。由于空间的限制，4 极电机转子使用了w 型的槽镶嵌永磁体。转子冲片上冲有用于嵌入永磁体的4 个w 形槽，每个w 形 槽中都分别插入铝镍钴和钕铁硼两种永磁体。铝镍钴永磁体矩形横截面的长边宽 度，可有效地调整电机可控磁通量的大小，以调整电机的弱磁范围。 l 一铝镶钴永磁体2 一钕铁硼永磁体3 一隔磁桥4 一定子铁心5 一转子铁心6 一轴 图2 - 44 极可控磁通永磁同步电机剖面图 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 铝镍钴磁化方向上的厚度选取原则是：使正、反向磁化铝镍钴时所需要施加 的直轴电流矢量南的幅值不会过大而超过逆变器的容量：同时保证铝镍钴与钕铁 硼被直轴电流矢量如脉冲同向强磁化后，不被钕铁硼永磁体再反向去磁而重新反 向磁化，即此时铝镍钴应该工作于其磁滞回线的第二象限，而不应该进入磁滞回 线的第三象限。为了减少永磁同步电机的杂散损耗，降低电机的振动和噪音，同 时也更便于电机的装配，4 极可控磁通永磁同步电机的气隙长度一般要比同规格 感应电机的气隙大。 6 极电机横向剖面如图2 5 所示。在6 极电机中，定子铁心采用三相感应电 动机定子铁心，由硅钢片冲剪、叠压而成，定子铁心斜一个定子齿距。图中箭头 方向为永磁体的磁化方向，此方向尺寸称为厚度，与箭头方向垂直的尺寸称为长 度。6 极电机采用v 形槽放置永磁体，铝镍钴和钕铁硼永磁体分别插入v 形槽 中，无特殊工艺要求。转子铁芯为一个相互完全贯通的整体结构，机械强度相对 较高，制做方便。半径向、半切向放置的永磁体采用剩磁密度和矫顽力都很高的 钕铁硼，磁化方向如图中单箭头所示；合理选择钕铁硼长度和宽度，使其尽可能 多地贡献磁通量，电机永磁气隙主磁通主要由其产生。特别应该注意的是，每一 磁极下的两块钕铁硼v 形交接处至转子内径间的那部分硅钢片的宽度在保证机 械强度的条件下应该尽可能地窄而长，以达到减小漏磁通的目的。 i 一铝镍钴永磁体2 一钕铁硼永磁体3 、7 一隔磁桥4 一定子铁心5 一转子铁心6 一轴8 一细长孔 图2 56 极可控磁通永磁同步电机剖面图 为了减小负载时电枢反应磁动势对直轴永磁磁场的影响，特意在每一磁极中 央，即d 轴轴线处设置一空心孔，以有效地增大交轴磁路的磁阻，减小交轴电感， 降低交轴电抗压降，从而提高变频器输入电压的利用率，增大弱磁和调速范围。 切向放置的永磁体采用剩磁密度高但矫顽力低的铝镍钴，它可以正反两个方向磁 化，如图中双箭头所示。合理选择铝镍钴长度和宽度，可有效地调整电机可控磁 通量的大小，以调整电机的弱磁范围。在选择铝镍钴宽度时一般是保证其与钕铁 硼被直轴电流妇脉冲同向强磁化后，不被钕铁硼再反向去磁而重新磁化即可。钕 第二章内置混合式转子可控磁通永磁同步电机的原理与结构 铁硼与铝镍钴永磁体交接处保留的空间可以是空气，也可以是起增强电机机械强 度的非导磁材料，起隔磁作用。 2 3 可控磁通永磁同步电机磁通控制原理 铝镍钴永磁体虽然剩磁密度高但是矫顽力却很低，而钕铁硼永磁体不仅剩磁 密度高而且矫顽力也很高，并且钕铁硼永磁体的价格大约为铝镍钴永磁体的一 半，经济性很好。如果在可控磁通永磁同步电机中安排一定的钕铁硼永磁体势必 能够提高性能同时降低成本。正是在此思想的启发下，内置混合式转子可控磁通 永磁同步电机通