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黑龙江八一农垦大学 课 程 报 告课 程 控制电机 题 目 永磁同步电机的应用 院 系 信息技术学院 专业班级 电气工程及其自动化二班 学生姓名 辛德奎 学生学号 20084073202 2011年 6 月 30 日目 录1、永磁同步电机简介12、永磁同步电机工作原理13、永磁同步电机基本结构14、永磁同步电机的控制24.1永磁同步电动机伺服控制24.2 永磁同步电机矢量控制35、永磁同步电动机在工业中的应用36、永磁同步电动机的应用和发展67、心得体会7参考文献8附录9控制电机课程（报告）1、永磁同步电机简介永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用。同步电动机的转速是由定子电流交变频率和极对数决定的。在电励磁的同步电动机中,允许电动机在任何功率因数下工作。自控式调频方法从根本上解决了振荡、失步问题。因此,同步电动机变频调速的应用范围越来越广阔,在电气传动领域里占有相当大的比重。随着电机制造与控制技术的飞速发展,加之大规模集成电路、半导体功率器件和微处理器技术的进步,伺服技术作为自动化的基础技术,有了革命性的进步。再加上永磁铁的加入,使得电机的效率更高,体积更小,永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，提高了电动机的效率和功率密度。因此永磁伺服电机得到了广泛的发展和应用。2、永磁同步电机工作原理当永磁同步电机通入由三相逆变器经脉宽调制获得的正弦交流电源后,电机的定子绕组会产生一个旋转磁场,它与转子永磁体磁钢所产生的磁场互相作用,产生一个与定子绕组旋转磁场方向一致的转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量和由永磁体磁钢所产生的阻尼转矩时,电机就开始转动起来,并且不断加速,直至定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一起同步运行。为了获得最大转矩,输入到三相绕组的正弦波电压必,须使得定子磁通和转子磁通的夹角接近90。为此,必须通过合适的电子控制来使得电机能够正常运行,而其中最重要的是获得转子的位置,转子的位置可以通过位置传感器来获得,也可以通过无传感器控制算法计算来获得。3、永磁同步电机基本结构永磁同步电动机包括定子和转子两部分。永磁同步电动机的定子部分与一般同步电机的定子相同，定子铁心通常带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入交流绕组。当交流电流通入交流绕组时，在气隙中产生圆形磁场，带动转子同步旋转。其转子结构与异步电机的转子区别是多了一套永磁体。其结构随永磁材料性能不同和应用领域的差异而不同，根据剩磁密度Br和矫顽力Hc等技术参数的不同，而磁极结构不同。如图1-1所示为永磁同步电动机的表面式转子结构。其中表面凸出式，结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。表面插入式，可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。1） 凸出式 2）插入式1永磁体 2转子铁心 3转轴4、永磁同步电机的控制4.1永磁同步电动机伺服控制永磁同步电动机伺服系统的基本结构如图4-1所示。图4-1 永磁同步伺服系统其基本工作原理是通过转子位置传感器获得电机转子的位置信号和定子电流传感器获得的三相电流值后,送人到主控单元,控制器通过某种控制算法,并与系统给定信号进行比较,从而得到逆变器的六路PWM信号,实现了电机的自同步运行。通过对伺服系统的分析,可以用matlab进行仿真,并进行测试。根据仿真的结果,可以方便得修改系统参数,或者认为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动,静态性能,或者模拟相同的实验条件,比较不同控制策略的优劣,为分析和设计交流异步电机控制系统提供了有效的手段和工具,也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。4.2 永磁同步电机矢量控制矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律。按磁场定向坐标,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 ,并使两分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制。从原理和特性上就和直流电动机相似了。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能而最终仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量,如电压、电流、电动势、磁动势都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,调节和控制都不容易。因此需要借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,这时各空间矢量就都变成了直流量。电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流分量iq, 如图4-2所示,这样转矩和被控量定子电流之间的关系就一目了然。图4-2. 转矩和被控量定子电流之间的关系永磁同步电机的矢量控制系统由四部分组成：1位置、速度检测模块；2转速环、电流环PI控制器；3坐标变换模块；4SVPWM模块和逆变模块。控制过程为：速度给定信号指令与检测到的转子速度相比较,经速度控制器的调节,输出I指令信号(电流控制器得给定信号)。同时,经过坐标变换后,定子反馈的三相电流变为id ,iq ,通过电流控制器使：id=0,iq 与给定的相比较后,经过电流调节器的输出为d,q轴的电压,经Park逆变换后为、电压。通过SVPWM模块输出六路PWM驱动IGBT产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。5、永磁同步电动机在工业中的应用 现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见表1：表1.三大类电动机的综合特性比较表机械特性过载能力可控性平稳性噪声电磁干扰维修性寿命体积效率成本交流异步电动机软小难较差较大小易长大低低有刷直流电动机软大易较好大严重难短较小高较高永磁同步电动机（包括无刷直流电机） 硬大易好小小易长小高较高按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。（1）定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。 例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动机的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。 再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。 近年来的实践表明，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还较少有应用。（2）调速驱动有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。 在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。 交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW300kW,体积比同容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。（3）精密控制驱动 高精度的伺服控制系统 伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。 信息技术中的永磁同步电动机 当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是特别高。例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.10.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能制造，有部分产品在国内组装。 6、永磁同步电动机的应用和发展 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180，一般也可达150，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表2是各种永磁材料性能比较。 表2.各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁(T)矫顽力(KA/m)内禀矫顽力(KA/m)最大磁能积（KJ/m3）剩磁可逆温度系数（%C)居里温度()中等水平钕铁硼1.26967955310-0.12350较高水平的钐钴1.00746766210-0.03850最高水平铝镍钴1.0812080085-0.02850最高水平的铁氧体0.4130032532-0.18450永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是：用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积； 省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。 2、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET）的三代复合场控型器件（绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等）直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美，它极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。 3、规模集成电路和计算机技术的发展改善了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。 70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据处理能力，控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求，单片机往往都不能满足要求。近年来各种集成化的数字信号处理器（DSP）发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。此外,各种现代控制技术,如自适应控制、最优控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等已深入到传统的自动控制系统中。可以毫不夸张地说,永磁同步电动机己在从小到大,从一般控制驱动到高精度的伺服驱动,从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现,而且前景会越来越明显。7、心得体会木文作为一篇综述型的论文，并没有详细地分析永磁同步电动机的原理及设计方法。通过阅读相关书籍和期刊，加深我了对永磁同步电动机的了解，了解了永磁同