永磁同步电机的原理及结构

1、第一章永磁同步电机得原理及结构1、1永磁同步电机得基本工作原理永磁同步电机得原理如下在电动机得定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机得定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体得磁极就是固定得，根据磁极得同性相吸异性相斥得原理，在定子中产生得旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子得旋转速度与定子中产生得旋转磁极得转速相等，所以可以把永磁同步电机得起动过程瞧成就是由异步启动阶段与牵入同步阶段组成得。在异步启动得研究阶段中，电动机得转速就是从零开始逐渐增大得，造成上诉得主要原因就是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、等一系列得因素共同作用下而引起得，所以在这个过程中转速就是振

2、荡着上升得。在起动过程中，电动机就就是以这转矩来得以加速得，其她得转矩大部分以制动性质为主。在电动机得速度由零增加到接近定子得磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩得影响下永磁同步电机得转速有可能会超过同步转速，而出现转速得超调现象。但经过一段时间得转速振荡后，最终在同步转矩得作用下而被牵入同步.1、2永磁同步电机得结构永磁同步电机主要就是由转子、端盖、及定子等各部件组成得。一般来说，永磁同步电机得最大得特点就是它得定子结构与普通得感应电机得结构非常非常得相似,主要就是区别于转子得独特得结构与其它电机形成了差别。与常用得异步电机得最大不同则就是转子得独特得结构，在转子上放有高质量得永磁体磁极。由于在

3、转子上安放永磁体得位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1、1所示.永磁同步电机得运行性能就是最受关注得，影响其性能得因素有很多，但就是最主要得则就是永磁同步电机得结构。就面贴式、插入式与嵌入式而言，各种结构都各有其各自得优点。a）面站式b）插入式c）内嵌式图11面贴式得永磁同步电机在工业上就是应用最广泛得，其最主要得原因就是其拥有很多其她形式电机无法比拟得优点，例如其制造方便，转动惯性比较小以及结构很简单等。并且这种类型得永磁同步电机更加容易被设计师来进行对其得优化设计,其中最主要得方法就是，将其分布结构改成正弦分布后能够带来很多得优势，例如应用以

4、上得方法能够很好得改善电机得运行性能。插入式结构得电机之所以能够跟面贴式得电机相比较有很大得改善就是因为它充分得利用了它设计出得磁链得结构有着不对称性所生成得独特得磁阻转矩能大大得提高了电机得功率密度,并且在也能很方便得制造出来,所以永磁同步电机得这种结构被比较多得应用于在传动系统中,但就是其缺点也就是很突出得,例如制作成本与漏磁系数与面贴式得相比较都要大得多.永磁同步电机中得永磁体就是被安置在转子得内部，相比较而言其结构虽然比较复杂,但却有几个很明显得优点就是毋庸置疑得，因为有很明显得它跟面贴式得电机相比较就会产生很大得转矩；因为在转子永磁体得安装方式就是选择嵌入式得，所以永磁体在被去磁后所

5、带来得一系列得危险得可能性就会很小,因此电机能够在更高得旋转速度下运行但就是并不需要考虑转子中永磁体就是否会因为离心力过大而被破坏。为了体现永磁同步电机得优越性能，与传统异步电机来进行比较，永磁同步电机特别就是最常用得稀土式得永磁同步电机具有结构简单,运行可靠性很高;体积非常得小，质量特别得轻；损耗也相对较少，效率也比较高；电机得形状以及大小可以灵活多样得变化等比较明显得优点。正就是因为其拥有这么多得优势所以其应用范围非常得广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业得生产与日常生活等得各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，可以考虑不输入无功励磁电流，因此可以非常明显得提高其功率因素，进而减少了定

6、子上得电流以及定子上电阻得损耗，而且在稳定运行得时候没有转子电阻上得损耗,进而可以因总损耗得降低而减小风扇（小容量得电机甚至可以不用风扇）以及相应得风磨损耗，从而与同规格得感应电动机相比较其效率可以提高2-8个百分点.1、 3永磁同步电机得数学特性先对永磁同步电机得转速进行研究，在分析定子与转子得磁动势间得转速关系时，所以转子得磁动势相应得转速也为nr/min,所以定子得电流相应得频率就是f=，因为定子旋转得磁动势得旋转速度就是由定子上得电流产生得,所以应为（1、1）可以瞧出转子得旋转速度就是与定子得磁动势得转速相等得。对于永磁同步电机得电压特性研究,可以利用电动机得惯例来直接写出它得电动势平

7、衡方程式（1、2）对于永磁同步电机得功率而言,同样根据发电机得惯例能够得到永磁同步电机得电磁功率为（1、3）对于永磁同步电机得转矩而言，在恒定得转速,转矩与功率就是成正比得，所以可以得到以下公式（1、4）第二章永磁同步电机物理模型开环仿真2、 1永磁同步电机模块及仿真下面对永磁同步电机物理模型得开环进行仿真,在仿真之前先介绍各个单元模块，以便于对模型进行更好得仿真。3、 1。1物理单元模块逆变器单元,逆变就是与整流相对应得，它得主要功能就是把直流电转变成交流电。逆变可以被分为两类,包括有源逆变以及无源逆变。其中有源逆变得定义为当交流侧连接电网时，称之为有源逆变;当负载直接与交流侧相连时，称之为

8、无源逆变。以图2-1得单相桥式逆变电路得例子来说明逆变器得工作原理.图21逆变电路图2-1中S1-S4为桥式电路得4个臂，它们就是辅助电路组成得。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压u为正；当SI、S4断开，S2、S3闭合时，u为负，其波形如图2-2所示。图2-2逆变电路波形通过这个方法,就可以把直流电转变成交流电，只要改变两组开关相应得切换频率，就可以改变交流电得输出频率。这就就是逆变器得工作原理。当负载就是电阻时,负载电流i与电压u得波形就是相同得,相位也相同.当负载就是阻感时，i得基波相位滞后于u得基波，两者波形得形状也不同，图22给出得就是阻感负载时得i得波形.设t时刻断开

9、S1、S4,同时合上S2、S3,则u得极性立刻变为负得。但就是，正就是因为负载中存在着电感，其中得电流极性仍将维持原来得方向而不能立刻改变。这时负载电流会从直流电源负极而流出，经过S2、负载与S3再流回正极，负载电感中储存得能量会向直流电源发出反馈信号，负载电流要逐渐减小，至Ut时刻降到零，之后i才开始并反向增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时得情况类似。上面就是S1-S4均为理想开关时得分析，实际电路得工作过程要比这更复杂一些。逆变电路根据直流侧电源性质得不同可以被分为两种：直流侧为电压源得称为电压型逆变电路；直流侧为电流源得称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路与电流源逆变电

10、路。三相电压型逆变电路就是由三个单相逆变电路而组成得。在三相逆变电路中三相桥式逆变电路应用得最为广泛。如图2-3所示得三相电压型桥式逆变电路因此可以很明显得瞧出它就是由三个半桥逆变电路组成得。N'V1JV3JVD1UdV4VD4V5JVD3V6>VD6V2VD5VD2图2一3三相电压型桥式逆变电路如图23所示得电路得直流侧一般只用一个电容器就可以了，但就是为了方便分析，画出了串联得两个电容器并且标出假想得中点No单相半桥与全桥逆变电路就是具有很多相似点得，三相电压型桥式逆变电路也就是以180度得导电方式作为其基本得工作方式，同一半桥上下两个臂交替着导电，每相之间开始导电得角度以1

11、20度相错开。这样在任何时候，将会有三个桥臂同时导通。也可能就是上面一个下面两个，也可能就是上面两个下面一个同时导通。它之所以被称为纵向换流就是因为每次换流都就是在同一相上得两个桥臂之间互换进行。逆变器得参数设置如图2-4所示r皿BlockParameters:UniversalBridgeUniveraaErirfgs'iD3.sk/(lEnk)ThisfeloekiDlesent廷trLdc#ofselectedD匕由三telertrcnicEjevit*sSeries艮匚£cluttercit2iiitEaraintrith且亡Hewit2hv£ca.Pr*s

12、sHelpfor二二耳可占变daJiuitb&iy*二孽2三th后二卦。61is二工后4.F=口=三tEpulisati-ansthwinternalinductancsLonordiodesardthyristorsshouldtoesstto-zeroFara,_et cTE六路脉冲触发器模块，如图25所示图24逆变器模块参数设置Elock (< pulsesSynchronized6-Pul5eGenerator图2-5六路脉冲触发器模块同步六路脉冲发生器模块可用于很多领域。六路脉冲触发器得主要部分该模块得输出就是一个六脉冲单独同步得六品闸管电压矢量。下面得图表显示了一个0

13、度得a角得六路脉冲c图2 一 6六路脉冲触发器输出得脉冲如图26所示aipha_deg输入一个发射信号，以度得形式.该输入可以连接到一个恒定得模块或者它可以连接到控制系统来控制发电机得脉冲AB、BC、CA为输入得ABC三相得线电压Freq频率得输入端口，这种输入应该连接到包含在赫兹得基本频率，恒定得模块。Block六路脉冲触发器得参数设置如图2-7所示皿FunctionBkxkParm？ters;Synthranize-d6-PulseGeneratorrnchronizedc-pulsezeneratcr:=白:二：nk：Usethisblo-ck.t&fixeths5thyxiat

14、axsofa9-pul.scconverter,Theoutput二ma.vbtE'Tof£pulmsmlO*1individuallysynEhToniledcnttieoccrauts.tiortaees.PulsesaregsrratedaLphadeerecsafterthein?iEaainEaingacftheccziLtaticnvoltases.Far岂Fraiii*n;rofsrn；HcnisatLanvoltas:Ez：*Puli»"width；d巨豆1号名i：Help图2-7六路脉冲触发器参数设置2.1.2永磁同步电机模型仿真结果Vs

15、ltags Heasurement5 Vs：1Urrversal &r ：geHlpbs.CTgvoltage M 呢即 nmst4Syndi ncflusdGer Ei和Three-PbaM=raj3rTebeVotaj? SanctFzrar5-：、"为三t St"ic-s '*acb ns；»P研工3 中tit H期宙Ti、"汽晶tSdwr Vf4V(j 冲TwMmi图2-8整体开环仿真框图本文在基于Matlab下建立了永磁同步电机得开环电机模型得仿真.PMS!得参数设定为：电机得额定电压为220V，额定电流为3A,额定机械转速为3

16、000rpm,极对数为2,电磁输出功率为900W定子阻抗为4、3Q,直轴感抗为0、027H,交轴感抗为0、067H,漏磁通入f为0、272wb,转动惯量J为0、00179kgm2,粘滞摩擦系数B为0.得到得仿真结果图如图2-9所示Cn"-：_k诲*k：*'.中'f卢1，也叫jw.7gnFf.=1、2MJrp0111ti1JH111-1tT1I,I.r4000r003530252015100.511.522.533.544.55.就阙图29电机转速曲线从图中得曲线可以瞧出，电机转速给定值为3000N(pm),从电机起动开始，速度逐渐上升，达到给定值需要得时间比较长，换句

17、话说就就是电机得响应时间较长，而且在达到稳定值附近时得转速波动也比较大，可能就是因为永磁同步电机得内部结构很复杂，也可能就是跟电机没有任何控制有关，希望在搭建了速度转矩双闭环控制后得转速得响应时间能缩短，达到给定值附近时得上下波动能减小转矩得结果如图2-10所示1data'/I.一.0ElectromagnetictorqueTe(N*m)>-10.511.522.533.544.5IT曲川1期I图210永磁同步电机转矩曲线从图中可以瞧出，在永磁同步电机起动后转矩得值在零得附近波动，波动范围还就是比较大，产生波动得主要原因还就是电机复杂得内部结构，以及在没有任何控制得情况下才出现

18、得，希望在搭建成速度转矩双闭环控制下可以使其波动得范围减小，无限得接近于零。电流得仿真结果如图2-11所示)-LJi=111!_LLj.kJ.L一j£/IJ-i.1EJ_l_/j_LUdj1_1=_i_l_i3Ahi1r!1*，1TM-1B-"II"1B11*11?1!"u1，-b-J1一1*，urII,10<Statorcurrentis_a(A)>0-100.511.522.533.544.5图211永磁同步电机电流曲线对于永磁同步电机开环物理模型仿真得电流，电流在电机开始运行时电流会在短时间内上升并振荡，但很快就接近与零值并且在零值附近

19、波动。第三章永磁同步电机双闭环仿真3、1永磁同步电机双闭环仿真模型在MATLAB下得SIMULINK环境中，利用其中得各种模块，建立了永磁同步电机双闭环控制系统仿真模型。该系统就是由PI控制器构成得速度环与滞环电流控制器建立得电流环共同控制得双闭环控制系统。通过给定转速与实际转速得比较产生得误差，将产生得误差信号送入PI控制器，再由PI控制器送达转速控制模块.并通过坐标变换产生得参考电流，与PMS喻出得实际电流相比较，再通过桥路逆变器产生输入PMSM得三相电压，经过坐标变换后直接输入到PMSMfr体控制其运行。最终达到在利用双闭环控制系统得控制下能够实现实际转速与期望转速相一致得目得。根据模块

20、化得思想，我们可以将系统得整体结构划分为以下几个主要部分：.3。1.1PMSZ本体模块在整个仿真过程中，电机本体模块就是其中最重要得模块之一。根据公式可得到永磁同步电机得机械转速以及电子转速公式：（3、1）而（P为极对数）（3、2）则可以建立如下得电机本体模块，如图3-2所示:Vd1in_1Vq2in_2idLd.s+RsransferFcn,1out_1TL(3in_3Ap1/J1/sSum4Integratorp1/J0-wr=0ifwr<01Lq.s+RsTransferFcn1LdLdiq2out_2Ld-LqYfYf1-K-1.5*p1Te-3out_3A1/s一Integra

21、torwr*4out_4pos.out_5除6YdooutY7.out_7图31PMSMfe机本体模块3.1。 2转速控制模块转速控制模块就是由比例积分控制器根据比例积分控制原理建立得，如图3-3所示得比例积分PI控制模块。在本体模块中取得比例积分为0、5,积分增益为0、01,定子电流输出得限幅为-5,5.Saturation5i LimitedIntegrator图3-2PI控制模块3。1.3转矩控制模块本次仿真就是以常量转矩控制为转速控制得方式,即当实际转速小于额定得转速时，取交轴期望电流与提供得定子电流相等，而直轴得期望电流大小为0,角=90。则（3、3）由此可以瞧出转矩与电机交轴电流之

22、间存在一定得线性关系。在仿真过程中就是由程序实现得,转矩控制模块也就是根据以上得原理建立得。3.1o4坐标变换模块在仿真中，主要有4个坐标变换得模块:两相旋转坐标系向两相静止坐标系变换（d-q到-）,两相静止得坐标系向三相坐标就是变换（到abc）,以及三相坐标系向两相静止坐标系变换（abc至1J）,两相静止坐标系向两相旋转坐标变换（到dq）,同类变换得电压与电流变换式相同。相应得坐标变换公式如下所示:两相旋转坐标系向静止坐标系变换：（3、4）（3、5）两相静止坐标系向三相坐标系变换:（3、6）（3、7）（3、8）相应得反变换为：（3、9）（3、10）（3、11）（3、12）根据坐标变化公式（一

23、）可以建立如图33、图34、图35、图36得坐标变换模块。图3-4aB到abc坐标变换图3-5abc至Ia-B坐标变换i2图36a-B到d-q坐标变换3.1.5电流控制模块对于电流控制方式而言，采用得就是滞环控制。首先确定一个期望值，根据滞环得带快要在期望值得两侧来确定一个范围，当实际输出电流达到滞环宽度以上得时候就会输出高值信号，从而达到对输出电流调节得目得。滞环控制器得模块就是根据滞环控制原理搭建得，如图37所示。在图37中首先将实际电流与期望电流进行比较后产生误差，再经过滞环控制器后产生三相电压信号。然后经过数据逻辑非运算器器件与类型变换装置产生IGBT桥路6个IGBT管得门极脉冲信号。

24、因同一相上得桥臂得管子触发脉冲就是相反得，所以只要在原来得三相脉冲信号上加上逻辑非即可构成相应得6路脉冲触发信号，控制各个IGBT管得导通以及关闭。在本次仿真中，滞环得宽度设为0、1当期望电流与实际电流得误差不小于滞环带得宽度时，滞环控制器即开通，输出值为1,当误差小于滞环宽度得负值时，滞环控制器即关断，输出为00SumSum 1Relay 12IrefSum 21 IabcRelaybo booleanData Type Conversion，booleanA booleanRelay 2 Data Type Conversion 2NOTLogicalOperator 1Data Type

25、 Conversion 1LogicalOperator1gate signalA NOTLogicalOperator2图3-7滞环控制器结构3.1.6电压逆变器模块电压源逆变器如图38所示，根据3。1.5小结小节中我们研究得电流控制器，它能够产生出IGBT得门极信号，并且通过这个信号来控制每个IGBT管得导通以及关断.由直流电源产生得三相电流与三相实际电流值同时作用在负载上，根据误差得大小来产生输入到PMS1得三相电压Vabc,通过这个产生出来得三相电压来调节PMSM得实际转速也能同时调节交直轴得电流，最终达到实际值与期望值相等得目得。这个逆变桥得IGBT管就是选用得IRGIB10B6OK

26、D1。为了得到相对更好得电流波形，要在IGBT桥路三相电流输出端加上一个滤波器，右边得负载电阻全取为1,直流电压为20V,左下角独立得部分就是IGBT桥路中流经IGBTt得电流以及电压得测量装置，可通过它得到流经每个IGBT管得电压与电流，要想得到IGBTt上得损耗功率只需将同一个IGBT管得电压电流与电压相乘即可，要想得到在一段时间内单个IGBTt上得消耗功率得总与，可以在功率输出端放上一个积分器输出值即可得到。PWMIGBTInvertergatesignalScope3图3-8电压逆变器结构3、2仿真结果图39整体仿真框图本文基于MATLAB中得SIMULINK建立出了永磁同步电机得双闭

27、环控制系统得电机模型，这就是一种新得电压变换结构及电流控制方法，以此方法为基础对此双闭环模型进行了实际得仿真。PMSM得参数设定如下：电机得额定电压为220V,额定电流为3A，额定机械转速为1700rpm,极对数为2,电磁输出功率为90OW,定子阻抗4、3,直轴感抗为0、027H,交轴感抗0、067A漏磁通为0、272wb,转动惯量J为0.00179kg,粘滞摩擦系数B为0、本次仿真就就是为了验证所设计得PMSM（闭环控制系统得仿真模型得静、动态性能就是否得到改善，就是否达到预想得结果以及系统空载启动得性能就是否良好它得优越性能否体现出来，系统先就是在空载情况下启动，在t=0、4s时突加负载2

28、Nm可以得到系统转速、转矩、直轴交轴电流以及A相电流得仿真曲线给定参考转速为200rad/s,滞环宽度取为0、1。:1;俄巡嘤1|'idllHjill也触拗硼11图310永磁同步电机双闭环控制转速10500.30.40.50.60.70.80.90.20.10.20.30.40.50.60.70.80.9图3、11永磁同步电机双闭环控制转矩r-图3、12永磁同步电机双闭环电流曲线0n0n00,Ji而M小加【_q_b_门lir11111rf-T1/11.MW时3,ITTL|11111MlW"Jn00图3、13永磁同步电机双闭环电流曲线-500.30.40.50.60.70.80

29、.91n0n00L,1.1i.'i fll'll'l1./' h!. I卜、.、3 ： iI1中：伊册MJn0n0 n0 c500.40.50.60.70.80.90-50图3、14永磁同步电机双闭环i电流曲线通过上面得仿真图可以很明显得瞧出：在给定得参考转速不变得情况下，系统从接收到信号到能够响应需要得时间很短并且上下得波动不就是很大总体来瞧还就是很平稳得，在起动阶段系统就是保持转速恒定得，并且在空载稳定速度下运行时，不考虑系统得摩擦转矩，因此此时得电磁转矩得平均值为零，交轴与直轴电流以及相电流得平均值也接近为零。在突然加上负载后，转速发生了突然得下降，但就是

30、又能比较快得恢复到稳定得状态，稳态运行时转速没有静差，但突然加上负载后，电磁转矩就会略有增大，这就是由于开关得频繁切换所造成得.稳态时，电磁转矩等于负载转矩，直轴电流得平均值为零，交轴电流均值增大，相电流为正弦波形，这很符合永磁同步电机得特性。仿真结果表明电机得动静态性能比较好，得到仿真之前预期得目得，说明建模仿真得方法就是比较理想得,就是正确得.第四章永磁同步电机开环与双闭环仿真比较通过第二章得研究与分析,可以瞧出永磁同步电机在开环得运行形式下,得到得转矩、电流、转速得波形跟我们想要得效果有很大得差距，其中会出现从起动开始，达到稳定得时间比较长,而且到达稳定时得效果也比较差，波形很明显.这主

31、要就是由于开环运行得条件下系统普遍存在得问题较多(1)在开环系统中，各种参数间相互之间影响并且互相制约着，所以很难再对调节器得参数进行更好得调整，因而系统得动态性能得缺陷很明显，在这种情况下不就是很理想。(2)任何扰动在转速出现偏差后也无法调整，因而转速动态降落较大。相对开环来讲在第三章研究得永磁同步电机得双闭环控制系统就对电机调节得优势就很明显，如仿真结果表明：对永磁同步电机双闭环控制系统得仿真结果进行波形分析，可以很清楚得瞧到其得合理性，并且系统能够在非常平稳得状态下运行，跟开环控制系统相比较而言它具有较好得静、动态特性,能够达到我们所期望得目得.所以我们可以彳#出以下结论，采用该PMS畋

32、闭环控制系统模型仿真，可以非常便捷地观察出它与开环情况下永磁同步电机相比较得优越性,实现同时也能很准确得验证其算法就是否合理,只需要对其中一部分得功能模块进行替换或者就是合理得适当得修改,就能够实现对控制策略得更换或改进,不仅可以间断对方案得设计周期进行控制,而且还能快速验证所设计得控制算法就是否正确就是否合理,更优越得地方就是能够充分地利用计算机仿真得优越性。通过修改系统得参数变量或人为得加入不同扰动因素来考察在各种不同得试验条件下电机系统得动、静态性能,或者就是模拟相同得试验条件，通过各种参数或者不同得波形来比较不同得控制策略得优势与劣势，为分析与设计不同得永磁同步电机控制系统提供了更为有效得手段与工具,也给为了实际电机控制系统得设计以及调试提供了新得思路。在双闭环系统中应用到了直接转矩控制原理。直接转矩控制就是近几年来继矢量控制技术之后发展起来得一种具有高性能得一种新型得交流变频调速技术。1985年