永磁同步电机简介

1、永磁同步电机简介 武琦 2016/9/12 1 /17 （1）永磁同步电机的发展现状 （2）永磁同步电机控制技术发展状况 （3）永磁同步电机控制系统的控制算法研究现 状综述 （4）永磁同步电机的热点问题研究 （5）永磁同步电机的发展趋势 2/17 3 /17 1. 永磁同步电机的发展现状 l 永磁同步电机的概念 （1）永磁同步电机有高动态性能，高效率，轻量化等特点， 代表着21世纪电机驱动系统发展方向之一； （2）电机驱动系统包括电机，驱动器，电流，位置及速度控 制器等； （3）永磁电机是一种电能转化为机械能的装置，主要通过定 子与转子磁场相互作用产生旋转转矩，带动负载； （4）与感应电机相比

2、，在原理和结构等方面相似，定子结构 基本一致，永磁电机的转子激励不是靠感应线圈，而是由固 定的永磁铁实现的。 4 /17 l 永磁同步电机的发展历程 第一阶段：20世纪6070年代，主要集中在航空，航天等特殊 行业高端领域； 第二阶段：20世纪80年代，随着钕铁硼永磁材料出现和电力电 子与微电子的发展，开始扩展到工业和民用领域； 第三阶段：20世纪90年代至今，永磁材料，电力电子，微电子， 控制算法等都有了显著进步，使其应用更广泛，已经成为驱 动系统的首选电机。 5 /17 l 永磁同步电机的分类 定子绕组 转子磁铁 6 /17 PMSM按转子永磁体的结构可分为两种 7/17 8/17 l 永

3、磁同步电机的特点 （1）永磁同步电机有高功率密度，与相同功率的感应电机相 比体积小，重量轻； （2）具有小转动惯量，易于应用对电机驱动系统要求较高的 动态响应领域； （3）与绕线式感应电机相比无滑环和电刷，可靠性提高，更 易应用于高速场合； （4）与感应电机相比，永磁电机的转子激励不是靠感应线圈， 而是由固定的永磁铁实现的，且无直接电能消耗，电机效率 提高。 9/17 2. 永磁同步电机控制技术发展状况 l 核心器件技术发展核心器件技术发展 （1）20世纪五六十年代以晶闸管为代表； （2）20世纪七八十年代以GTO,GTR,MOSFET的发展； （3）20世纪后期的IGBT出现，成为电力电子领

4、域的主导功率 器件； （4）以PIC,HVIC,IPM等功率集成电路为代表，将功率器件与 驱动，检测和保护于一体，使电机可靠性更高，功率密度更 大； （5）微处理器的发展，DSP的出现；同时FPGA/CPLD技术的 发展为实现PWM控制提供了新的进展。 10 /17 l 永磁同步电机控制策略永磁同步电机控制策略 （1）上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流 电机转矩控制问题。 控制器控制器 VR-12/3 电流控制电流控制 变频器变频器 3/2VR 等效直流等效直流 电机模型电机模型 + i*m i*t s i* i* i*A i*B i*C i

5、A iB iC i i im it 异步电动机 给定 信号 （2）继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的 Depen Brock 又提出了交流电动机的直接转矩控 制方法，其特点是直接采用空间电压矢量，直接 在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通。 11 /17 3. 永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述 永磁同步电机是一个多变量，强耦合的非线性系统。实际 应用中电机的参数实时变化，且会受到外部干扰的影响，因此 很多的先进控制算法被应用到交流控制系统来解决上述问题。 （1）PI控制 优点：经典控制策略，方法简单，既能提高静态精度，又能改 善动态品质； 缺点：PI控制法属于线性的控制方法

6、，适应负载能力差，抗干 扰能力差，控制性能不够稳定。 （2）滑模变结构控制 优点：不要求精确的数学模型，不受参数变化和外部扰动的影 响； 缺点：由于惯性，时间延迟等因素，存在抖振现象。 12 /17 13 /17 （3）自适应控制 优点：无需精确的控制对象，无需进行参数估计； 缺点：在线辨识和校正的时间比较长，对一些变化较快的 伺服系统，达不到理想控制效果。 （4）模糊控制 优点：无需精确数学模型，鲁棒性强，适用于解决非线性， 时变系统的问题； 缺点：难以达到较高的控制精度，其本身很难消除稳态误 差。 （5）神经网络控制 优点：可以很好改善控制系统的稳定性和鲁棒性； 缺点：算法很复杂，多用于仿

7、真实验。 14 /17 4. 永磁同步电机的热点问题研究 （1）无传感器控制技术及各种先进智能控制 位置传感器的存在，增加了系统复杂度和成本，降低系统的鲁 棒性。难点是初始转子位置的准确性。 应于中高速运行的无传感器控制技术主要有： 定子磁链估计法 模型参考自适应法 状态观测器法 滑模变结构法 神经网络辨识法 扩展卡尔曼滤波法 检测电机相电感变化的位置估计法 15 /17 适应于零速和低速运行的方法有： 旋转高频电压信号注入 脉动高频电压信号注入 INFORM法 载波频率成分提取法 （2）良好的启动性能 永磁同步电机启动转矩小，启动速度慢。 启动方法主要有异步启动法和变频启动法。 异步启动使电机加工工艺变复杂，机械强度变差；变频启动 对变频器的质量和性能有较高的要求。 16 /17 （3）弱磁控制 永磁同步电机的转子是永磁铁励磁，随着转速的升高，电动 机电压达到逆变器所能输出的极限，再想升速就只能靠调节 定子电流的大小和相位增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转 速。 （4）性能改善 主要从开发新结构电机，力矩补偿减少力矩波动，改善永磁 体的抗消磁能