交流永磁同步电机结构与工作原理

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交流永磁同步电机结构与工作原理 2 1 1 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 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 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 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 2 1 2 交 流 永 磁 同 步 电 机 的 工 作 原 理 本 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 2 2 所 示 在 图 2 2 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 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 开 关 变 化 实 现 三 相 电 流 的 换 相 代 替 了 机 械 换 向 器 图 2 2 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 2 1 3 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 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 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 360 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 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 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 2 2 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 2 3 所 示 三 相 定 子 绕 组 流 过 平 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 2 1 广州触摸屏维修 参考资料 式 中 Im 为 电 流 最 大 值 图 2 3 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 2 4 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 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 2 3 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 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 2 5 中 国 是 同 步 角 速 度 根 据 三 相 绕 组 的 感 应 电 动 势 方 程 2 5 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 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 角 度 上 图 2 5 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 2 7 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 2 5 所 示 广州触摸屏维修 参考资料 图 2 5 旋 转 坐 标 系 广州触摸屏维修 参考资料 图 2 6 静 止 坐 标 系 一 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 再 由 静 止 的 口 一 轴 坐 标 系 转 换 到 d q 坐 标 系 如 图 2 6 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 2 10 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 2 12 中 为 交 直 轴 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