永磁同步电动机矢量控制(结构及方法)

第二章永磁同步电机的结构和控制方法2.1永磁同步电机概述永磁同步电机的工作原理与电励磁同步电机相同，但它利用永磁体提供的磁通量代替励磁绕组进行励磁，使电机结构更简单，降低了加工和装配成本，节省了易产生问题的集电环和电刷，提高了电机的运行可靠性。此外，由于不需要励磁电流，节省了励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。因此，它是近年来在各个领域得到越来越多研究和越来越广泛应用的一种电机。永磁同步电机有多种分类方法：根据工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场型和轴向磁场型；根据电枢绕组的位置，可分为内转子型(常规型)和外转子型。根据转子上有无起动绕组，可分为不带起动绕组的电机(由变频器供电，以逐渐增加的频率起动，并随频率变化调节转速，通常称为调速永磁同步电机)和带起动绕组的电机(用于调速运行，以一定频率和电压起动绕组产生的异步转矩起动，通常称为异步起动永磁同步电机)；根据供电电流的波形，可分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机(以下简称永磁同步电机)。当异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，就形成了带有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。永磁同步伺服电机的定子与绕组同步电机的定子基本相同。但是，根据转子结构的不同，可分为凸极式和嵌入式。凸极转子是在转子轴表面安装永磁体，如图2-1(a)所示。因为永磁材料的磁导率非常接近空气的磁导率，所以横轴(Q轴)和直轴(D轴)上的电感基本相同。对于嵌入式转子，永磁体安装在转子轴内，如图2-1(b)所示，因此横轴的电感大于直轴的电感。除了电磁转矩，磁阻转矩也存在。为了使永磁同步伺服电机具有正弦波感应电动势波形，转子磁钢为抛物线形，气隙中产生的磁通密度尽可能为正弦曲线。定子电枢绕组采用短距离分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁转子产生恒定的电磁场。当定子被提供三相对称正弦波交流电时，产生旋转磁场。两个磁场的相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果定子三相电源的频率和相位可以改变，转子的转速和位置也可以改变。图2-1(a)凸极型图2-1(b)嵌入式2.2永磁同步电机的数学模型2.2.1三相定子坐标系模型(A、B、C坐标系)(1)电压方程：三相永磁同步电机的定子绕组空间分布，三相永磁同步电机的轴线相差120度电角度。每个相绕组的电压与电阻压降和磁链变化相平衡。永磁同步电机由定子三相绕组电流和转子永磁体组成。定子三相绕组电流产生的磁链与转子位置角相关，其中转子永磁机构在各相绕组中产生反电动势。由此获得的定子电压方程为：(2-4)其中：三相绕组的相电压；每相绕组电阻；三相绕组的相电流；三相绕组的磁链是c匝吗(2-8)(2)磁链方程(2-9)(3)扭矩方程(2-10)2.2.3旋转坐标系(d，q坐标系)中的模型永磁同步电机是由电磁同步电机发展而来的。它用永磁体代替电励磁，从而消除了励磁线圈、滑环和电刷。然而，定子和电磁同步电机基本相同，仍然需要输入三相对称正弦电流。现在它在d，q坐标系中的数学模型描述如下：(1)电压方程(2-11)其中：是D轴和Q轴上的电压分量；是d轴和q轴上的电流分量；对于d，q坐标系旋转角频率；是永磁体在d轴和q轴上的磁链；(2)磁链方程(2-12)其中：是永磁体在d轴和q轴上的磁链；l是d，q坐标系中的等效电枢电感；是d轴和q轴上的电流分量；永磁体产生的磁链；(3)电磁转矩方程(2-13)其中：用于输出电磁转矩；是磁极的数量；本章介绍了永磁同步电机的结构、类型和工作原理，并在坐标变换的基础上，建立了各坐标下的数学模型，为后续控制系统的建立和相关模型的仿真提供了依据。2.3永磁同步电机矢量控制技术概述矢量控制，也称为磁场定向控制，是由德国西门子公司的布拉施克首先提出的异步电动机，它在交流电动机控制理论上有了质的飞跃。其基本思想是通过旋转坐标变换将强耦合交流电机转化为DC电机，实现解耦控制，从而获得与DC电机相当的控制性能。后来这种控制思想被推广到永磁同步电机控制系统，使永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、宽调速范围和精确定位控制。随着工业领域对高性能伺服系统需求的不断增加，特别是机器人和数控机床的发展，永磁同步电机矢量控制系统具有广阔的发展和应用前景，已成为中小容量交流调速和伺服系统研究的热点之一。总而言之，矢量控制原理自发明以来已有30多年的历史。技术趋于完美。电力电子和微处理器技术的发展为矢量控制方法的实现奠定了基础。矢量控制永磁同步电机调速系统以其优异的动静态性能逐渐成为高性能交流伺服系统的主流。永磁同步电机的矢量控制策略与异步电机略有不同。两相同步旋转坐标系dq轴下永磁同步电机的电磁转矩方程如方程(2.24)所示。(2.24)从等式(2.24)可以看出，永磁同步电机的电磁转矩的控制最终可以归因于对直轴电流Id和横轴电流Iq的控制。相同电磁转矩的输出可以对应于多个不同的交流-DC轴电流组合，而不同的交流-DC轴电流组合对应于不同的系统效率、功率因数和不同的电流控制策略。根据永磁同步电机的不同用途和控制目标，矢量控制方法也不同，主要包括Id=0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、COS=1控制和恒磁链控制。不同的控制方法有各自的特点。(1)。id=0控件在=0控制策略原则下，矢量之间的关系如图2-2所示。定子电流矢量的直轴分量为0，从等式(2-6)获得的电机输出转矩为：(2-7)忽略电枢电阻时，功率因数为：(2-8)如图2-2所示。事实上，它代表系统空载时电机的端电压，代表系统负载时电机的端电压。假设两者之比是k，和=，那么(2-9)d轴q轴图2-2控制策略下的永磁同步电机矢量图顺序，叫做退磁分量，应该是毫安从以上公式可以看出，在控制模式下，没有退磁效应，输出转矩与定子电流成正比。其主要缺点是随着输出转矩的增加，端电压相对较大，功率因数急剧下降，从而增加了对逆变器容量的要求。此外，该方法未能充分利用电机的转矩输出能力，其中磁阻反作用转矩为0。(2)。最大扭矩/电流比控制最大转矩/电流控制也称为单位电流输出最大转矩控制。根据凸极电机电磁转矩与转矩角的关系，对于给定的电磁转矩，得到对应于最小电流的两个电流分量作为电流给定值。在同步旋转坐标系的dq轴下，定子电流空间矢量可表示为等式(2.25):(2.25)最大转矩电流比的控制实际上是方程(2.25)在方程(2.24)条件下的极值问题，即电流矢量应满足(2.26)。(2.26)由于计算量大，在实际应用中系统的实时性不能令人满意。因此，离线计算通常用于计算对应于不同电磁转矩的横轴和直轴电流，这些电流以表格的形式存储在数字信号处理器中。在实际操作中，相应的id和iq是根据负载情况通过查表获得的。最大转矩电流比控制在满足电机输出转矩的情况下，使定子电流最小化，减少电机损耗，有利于逆变器开关器件的运行，同时降低成本。在此基础上，采用合适的弱磁控制方法，可以提高电机的高速性能。这种方法的缺点是功率因数随着输出转矩的增加而迅速降低。(3)弱磁控制永磁同步电机弱磁控制的思想来源于独立励磁DC电机的磁通调节控制。对于单独励磁的DC电机，当电枢端电压达到最高电压时，为了使电机能够以更高的转速运行，降低电机的励磁电流以平衡电压并实现弱磁加速。永磁同步电机的励磁磁动势是由永磁体产生的，因此不可能像单独励磁的DC电机那样通过调节励磁电流来实现弱磁。传统的方法是调整定子电流id和iq，增加定子直轴的退磁电流分量，实现弱磁加速。为了确保电机的电枢电流幅度不超过极限值，转矩电流分量iq应相应降低。因此，弱磁控制的本质是在保持电机端电压不变的情况下，通过减小输出转矩来实现弱磁加速。(4)。COS=1控制COS=1控制确保电机的功率因数恒定在1，逆变器的容量得到充分利用。然而，在永磁同步电动机中，由于转子励磁不容易由永磁体调节，当负载变化时，总磁链不能保持恒定，因此电枢电流和转矩之间的线性关系不能保持。此外，最大输出转矩小，退磁系数大。永磁材料可能会消磁，导致电机的电磁转矩、功率因数和效率降低。(5)恒流量联动控制恒磁链控制是控制电机定子电流，使气隙磁链的幅值等于定子交联磁链的幅值。在高功率因数条件下，这种方法可以