交流永磁同步电机结构与工作原理

1、交流永磁同步电机结构与工作原理2 2 . 1 1 . 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（PMSMPMSM）和梯形波永磁同步电机（BLDCBLDC）【261261。正弦波永磁 同步电机定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以丫型连接，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 2 一 l l 所示， 定子绕组一般制成多相

2、，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=60fn=60f / p p, f f 为电流频率，P P 为极对数。图 2 2 一 l 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）2727 。他控式方式主要是 通过独立控N#l-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

3、，转子转速越高，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 2 . 1 1 . 2 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

4、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 22 2 所示。在图 2 2 2 2 中，50HZ50HZ 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

5、关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向asas。图 2 2 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 2 . 1 1 . 3 3 旋转式编码器由自控式正弦波 PMSMPMSM 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(in(in creme

6、creme ntal)ntal)和绝对式(absolute)(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 2 线、4 4 线、8 8 线、1616 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 2 的零次方到 2 2 的 n-1n-1 次方的唯一的 2 2 进制编码，这就称为 n 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

7、的相对位置。增量型只能测角位移( (间接为 角速度) )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 A、B B、C C、D D,每个正弦波相差 9090 度相位差（相对于一个周波为 360360 度）， 将 C C、D D 信号反向，叠加在 A A、B B 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个 Z Z 相 脉冲以代表零位参考位。由于 A A、B B 两相脉冲信号相差 9090 度，可通过比较 A A 相在前 还是 B B 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获

8、得编码器的零位 参考位。编码器以每旋转 360360 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 51000010000 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 500500700kHz700kHz）, 体积比光学式编码器小，而成本更低【2828 。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 . 2 2

9、交流永磁同步电机的数学模型正弦波 PMSMPMSM 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 2 3 3 所示。三相定子绕组流过平衡电流分别为 iaia , ibib , icic，在空间上互差 120120。,瞬时电流表达式如下：(2(2 1)1)式中 ImIm 为电流最大值。图 2 2 3 3 三相瞬时电流图图 2-4 对称三线绕组电机的三相对称绕组如图 2 2 4 4 所示，在定子静止三相坐标系下，建立电机 的定子( (2-22-2 )式 2-22-2 中，、甜。是定子二相

10、绕组相电压；o o 、 是定子二相绕组 相电流；鲴，（pbpb ,鲈是三相定子绕组的磁链；r r 是定子三相绕组阻抗。磁链方程为【2929】：（2-32-3）式 2 2 3 3 中乞，厶，三 c c 分别是三相绕组的自感；厶二厶。，k=k=乞，k=kk=k 分别 是两相绕组间的互感；纷是永磁转子的磁链，秒二rot+rot+岛是转子与三相静止坐 标系 a 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 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；2 2） 定子三相绕组对称且为集中式绕组；3 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

11、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，则厶二厶=t=t=三，k=k=z-aack=k=z-aac二乞=k=k=M=k=k=M，三和 M M 都为常量，乞+ + + +之=0=0 ,由此整理磁链方程如下：( (2-42-4)( (2-52-5)(2-6(2-6)式 2 2 . 5 5 中国是同步角速度。根据三相绕组的感应电动势方程 2 2 5 5 可得出，每相绕组的感应电动势 e ea a、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

12、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【 30I30I ，此 旋转 坐标 系也 称为 d-qd-q 坐标 系 ，d d 轴 固定 在转子 磁势轴线上，q q轴 位 于 d d 轴 逆 时针 方向 旋转 9090。的 电角 度上 ，图 2 2 5 5 是极对数 为 2 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

13、， 表 达 式如下：（ 2-72-7 ）式中 o o、 之三 相电 流的有效 值为 I I 、角 频率 为彩 的， 则表 达式 2 2 7 7 可以 化简成：（ 2-82-8 ） 这样i i 就 可以 看作 是一 个以 角速度 缈 旋转的 矢 量， 如 图 2 2 5 5 所示 。图 2 2 5 5 旋 转 坐 标 系图 2 2 6 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-qd-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

14、 a a 相重合，口轴逆时针旋转 9090。为/ 轴， 转换到两相静止坐标系的表达式如下：（ 2-92-9 ）在 PMSMPMSM 系统中，定子绕组采用 Y Y 型连接，则/ 0=00=0。然后， 再由静止的 口 一 / 轴 坐标 系 转 换到 d-qd-q 坐标 系 ， 如图 2 26 6 所示， 转换表达式 为 ：（ 2-102-10 ）式中 目是两个坐标系 的 夹角。 根据式 2 21010 推导， 可以得出 d-qd-q 坐标 系 和三 相 静 止 坐 标系之间的 转 换关系如下：（ 2-112-11 ）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-qd-q 轴 坐

15、标 系后， 定子电压方程表达式为：2-122-12 )式 2 2 1212 中 ，为 交、直轴阻抗； 、乞 为定子 电流 矢量 f f 的直 轴、交轴 分量；P 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：（ 12-1312-13 ） 式2-132-13 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：（ 2-142-14 ） 通过坐标转换后，电机的转矩方程可以表示为：（ 2-152-15 ） 将磁链方程代入后得：（ 2-162-16 ）式 2 2 1616 中 n n

16、 是极 对数 5 5在转 子参考 坐 标中，若 取 d d 轴为虚袖 取 q q 轴为 实轴 ，则在这 个复 平面 内， 可将定子 电流空 间 矢量 f f 表 示为 ：2-172-17 )f f 与 q q 轴的 夹角 为盯 ，则：（ 2-182-18 ） 综上整理转矩方程得：（ 2-192-19 ） 仃角实质上是定子三相绕组合成旋转磁场的轴线与转子磁场轴线间夹角。 在上式中， 括号内 第 一项就 是 由这两 磁场 相互 作用 所产生的 电磁 转矩 ，如 图 2 27 7 中曲 线l l所示；括号内第二项称为磁阻转短（曲线 2 2）,它是由凸极效应引起的乂， 并与两轴电感参 数的 差 值 成正比 。2 2 7 7 凸 极