交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理.doc

交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 2．1．1交流永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)的種類繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的波形的不同，可以分為正 弦波永磁同步電機(jī)(PMSM)和梯形波永磁同步電機(jī)(BLDC)【261。正弦波永磁同步電機(jī) 定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組；氣隙場 設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動(dòng)勢；轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，根據(jù)永磁體在 轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機(jī)又分為三類：凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。 本文中采用的電機(jī)為凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2一l所示，定子繞組一 般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對(duì)數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為兩對(duì)， 則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=60f／p，f為電流頻率，P為極對(duì)數(shù)。 圖2一l凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 目前，三相同步電機(jī)現(xiàn)在主要有兩種控制方式，一種是他控式(又稱為頻率開環(huán) 控制)；另一種是自控式(又稱為頻率閉環(huán)控制)[27】。他控式方式主要是通過獨(dú)立控 N#l-部電源頻率的方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不需要知道轉(zhuǎn)子的位置信息，經(jīng)常采用恒壓 頻比的開環(huán)控制方案。自控式永磁同步電機(jī)也是通過改變外部電源的頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)速，與他控式不同，外部電源頻率的改變是和轉(zhuǎn)子的位置信息是有關(guān)聯(lián)的，轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)速越高，定子通電頻率就越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是通過改變定子繞組外加電壓(或電流) 頻率的大小來調(diào)節(jié)的。由于自控式同步電機(jī)不存在他控式同步電機(jī)的失步和振蕩問 題，并且永磁同步電機(jī)永磁體做轉(zhuǎn)子也不存在電刷和換向器，降低了轉(zhuǎn)子的體積和質(zhì) 量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)速范圍，且具有直流電動(dòng)機(jī)的性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步電機(jī)。當(dāng)把三相對(duì)稱電源加到三相對(duì)稱繞組上后，自然會(huì)產(chǎn)生同 步速的旋轉(zhuǎn)的定子磁場，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是與外部電源頻率保持嚴(yán)格的同步，且 與負(fù)載大小沒關(guān)系。 2．1．2交流永磁同步電機(jī)的工作原理 本系統(tǒng)采用的是自控式交直交電壓型電機(jī)控制方式，由整流橋、三相逆變電路、 控制電路、三相交流永磁電機(jī)和位置傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2—2所示。在 圖2—2中，50HZ的市電經(jīng)整流后，由三相逆變器給電機(jī)的三相繞組供電，三相對(duì)稱 電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子同步 旋轉(zhuǎn)，通過位置傳感器實(shí)時(shí)讀取轉(zhuǎn)子磁鋼位置，變換成電信號(hào)控制逆變器功率器件開 關(guān)，調(diào)節(jié)電流頻率和相位，使定子和轉(zhuǎn)子磁勢保持穩(wěn)定的位置關(guān)系，才能產(chǎn)生恒定的 轉(zhuǎn)矩，定子繞組中的電流大小是由負(fù)載決定的。定子繞組中三相電流的頻率和相位隨 轉(zhuǎn)子位置的變化而變化的，使三相電流合成一個(gè)與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場，通過電力電 子器件構(gòu)成的逆變電路的開關(guān)變化實(shí)現(xiàn)三相電流的換相，代替了機(jī)械換向器。 圖2—2自控式電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 正弦波永磁同步電機(jī)屬于自控式電機(jī)，只是電動(dòng)機(jī)的定子反電勢和電流波形均為 正弦波，并且保持同相，其可以獲得與直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩特性，而且能實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩 的調(diào)速特性。本位置伺服系統(tǒng)是通過正弦波永磁同步電機(jī)來實(shí)現(xiàn)位置伺服功能的。 2．1．3旋轉(zhuǎn)式編碼器 由自控式正弦波PMSM構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，需要實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速， 本系統(tǒng)是通過旋轉(zhuǎn)編碼器來獲取相關(guān)的信息。根據(jù)編碼器的工作原理不同可分為磁性 編碼器和光學(xué)編碼器，而根據(jù)編碼器的輸出信號(hào)的不同又分為增量式(incremental) 和絕對(duì)式(absolute)編碼器兩種。絕對(duì)式編碼器可以直接測得轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，每次為 檢測到轉(zhuǎn)子的位置提供一個(gè)獨(dú)一無二的編碼數(shù)字值。絕對(duì)式型編碼器(旋轉(zhuǎn)型)碼盤 上有許多道光通道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線??編排，在編碼 器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次 方的唯一的2進(jìn)制編碼，這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由光電碼盤的機(jī) 械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。 增量式編碼器每次只能返回轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置。增量型只能測角位移(間接為角速度) 增量，以前一個(gè)時(shí)刻為基點(diǎn)。光電式增量式編碼器(旋轉(zhuǎn)型)由一個(gè)中心有軸的光電 碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號(hào)組 合成A、B、C、D，每個(gè)正弦波相差90度相位差(相對(duì)于一個(gè)周波為360度)，將C、 D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào)；另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代 表零位參考位。由于A、B兩相脈沖信號(hào)相差90度，可通過比較A相在前還是B相 在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編 碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多 少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5～10000線。 光學(xué)增量式編碼器和磁性增量式編碼器，輸出信號(hào)信息基本上一樣的。光學(xué)編碼 器的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)潮濕氣體和污染敏感，但可靠性差，而磁性編碼器不易受塵埃和結(jié) 露影響，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，響應(yīng)速度快(達(dá)500～700kHz)，體積比 光學(xué)式編碼器小，而成本更低【28】。本系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)式增量磁性編碼器，其適應(yīng) 環(huán)境能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，非常適用于在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中檢測電動(dòng)機(jī)的速度和位置。 2．2交流永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 正弦波PMSM定子與普通的電勵(lì)磁的三相同步電機(jī)是基本一樣的，并且反電動(dòng)勢 也是正弦波，那么其數(shù)學(xué)模型和電勵(lì)磁的三相同步電機(jī)也是一樣的。在定子通三相繞 組瞬時(shí)電流，如圖2—3所示。三相定子繞組流過平衡電流分別為ia，ib，ic，在空間 上互差120。，瞬時(shí)電流表達(dá)式如下： (2—1) 式中Im為電流最大值。 圖2—3三相瞬時(shí)電流圖 圖2-4對(duì)稱三線繞組 電機(jī)的三相對(duì)稱繞組如圖2—4所示，在定子靜止三相坐標(biāo)系下，建立電機(jī)的定子 （2-2） 式2-2中，％、％、甜。是定子三相繞組相電壓；o‘、‘是定子三相繞組相電流； 鲴，(pb，鱸是三相定子繞組的磁鏈；r是定子三相繞組阻抗。磁鏈方程為【29】： （2-3） 式2—3中乞，厶，三c分別是三相繞組的自感；厶=厶。，k=乞，k=k分別是 兩相繞組間的互感；紛是永磁轉(zhuǎn)子的磁鏈，秒=rot+島是轉(zhuǎn)子與三相靜止坐標(biāo)系a軸 的夾角，皖為轉(zhuǎn)子的初始位置。為了簡化分析，現(xiàn)作如下假定： 1)電機(jī)鐵磁部分的磁路為線性，不計(jì)飽和，剩磁，磁滯和渦流的影響； 2)定子三相繞組對(duì)稱且為集中式繞組； 3)忽略電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場的影響； 這樣就可使各相繞組的自感和互感與轉(zhuǎn)子的位置角無關(guān)，且永磁同步電機(jī)的三相繞組 是對(duì)稱分布，星形聯(lián)接，則厶=厶=t=三，k=k=z-aac=乞=k=k=M，三和M 都為常量，乞+‘+之=0，由此整理磁鏈方程如下： （2-4） （2-5） （2-6） 式2．5中國是同步角速度。 根據(jù)三相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢方程2—5可得出，每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢ea、％、巳是 時(shí)變的，同樣三相對(duì)稱電流都也是時(shí)變的，所以系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)變并且各個(gè)參數(shù)耦 合緊密，使整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制復(fù)雜實(shí)現(xiàn)困難。 交流電機(jī)的矢量控制理論提出，是電機(jī)控制理論的第一次質(zhì)的飛躍，使得交流電 機(jī)的控制跟直流電機(jī)控制一樣簡單，并且能獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制基本思想 是：在轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩個(gè)分量相互垂直和獨(dú)立，這樣就可以分開調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了交流 電機(jī)控制的解耦【30I，此旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系也稱為d-q坐標(biāo)系，d軸固定在轉(zhuǎn)子磁勢軸線上，q 軸位于d軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90。的電角度上，圖2—5是極對(duì)數(shù)為2的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 另外，定子繞組中的三相電流就可以通過一個(gè)空間矢量電流來表示，表達(dá)式如下： （2-7） 式中o‘、之三相電流的有效值為I、角頻率為彩的，則表達(dá)式2—7可以化簡成： （2-8） 這樣i就可以看作是一個(gè)以角速度緲旋轉(zhuǎn)的矢量，如圖2．5所示。 圖2—5旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 圖2—6靜止坐標(biāo)系一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 如果要把定子繞組中的三相電流轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系上，完成輸出轉(zhuǎn)矩控制。首先， 要把三相交流電流所在的三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止的坐標(biāo)系口一∥。在固定的 定子上建立口一∥軸坐標(biāo)系，口軸與a相重合，口軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90。為∥軸，轉(zhuǎn)換到 兩相靜止坐標(biāo)系的表達(dá)式如下： （2-9） 在PMSM系統(tǒng)中，定子繞組采用Y型連接，則／o=0。 然后，再由靜止的口一∥軸坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系，如圖2—6所示，轉(zhuǎn)換表達(dá) 式為： （2-10） 式中目是兩個(gè)坐標(biāo)系的夾角。根據(jù)式2．10推導(dǎo)，可以得出d-q坐標(biāo)系和三相靜止坐標(biāo) 系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： （2-11） 坐標(biāo)變換對(duì)于電壓矢量仍然適用，由三相靜止坐標(biāo)系變換到d-q軸坐標(biāo)系后，定子電 壓方程表達(dá)式為： （2-12） 式2—12中，，．為交、直軸阻抗；‘、乞?yàn)槎ㄗ与娏魇噶縡的直軸、交軸分量；P微分算 子；％、％交、直軸磁鏈。 交流永磁伺服電機(jī)定子磁鏈方程為： （12-13） 式2-13中，盼為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈；厶、厶為電動(dòng)機(jī)的交、直軸電感；把定子 磁錛方程代入定子申．壓方稗得： （2-14） 通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程可以表示為： （2-15） 將磁鏈方程代入后得： （2-16） 式2—16中n是極對(duì)數(shù)5 在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)中，若取d軸為虛袖．取q軸為實(shí)軸，則在這個(gè)復(fù)平面內(nèi)，可將 定子電流空間矢量f表示為： （2-17） f與q軸的夾角為盯，則： （2-18） 綜上整理轉(zhuǎn)矩方程得： （2-19） 仃角實(shí)質(zhì)上是定子三相繞組合成旋轉(zhuǎn)磁場的軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線間夾角。在上式 中，括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)就是由這兩磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖2—7中曲線l 所示；括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)稱為磁阻轉(zhuǎn)短(曲線2)，它是由凸極效應(yīng)引起的∞，并與兩軸電 感參數(shù)的差值成正比。 2—7凸極同步電機(jī)矩角特性圖2—8凸裝式永磁同步電機(jī)矩角特性 本系統(tǒng)采用的是凸裝式轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，所以Ld=Lq，于是電磁轉(zhuǎn)矩 可以簡化為： （2-20） 式中不包含磁阻轉(zhuǎn)矩項(xiàng)，電磁轉(zhuǎn)矩僅與定子電流的交軸分量有關(guān)。當(dāng)時(shí)盯：互，每 2 單位定子電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩值最大，如圖2—8所示，本系統(tǒng)通過‘=0控制，使 仃=三2，這樣轉(zhuǎn)矩響應(yīng)僅與定子矢量電流成正比。