永磁同步机矢量控制体系研究与实现

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1、永磁同步机矢量控制体系研究与实现1绪论1.1本文研究的背景及意义在直流电机、异步电机、同步电机三大电机系统中，永磁同步电机因其性能优良和结构多样，在工农业生产制造、日常生活以及航空航天事业等领域中得到广泛的应用。为使得电机有较好的控制性能，需要使用变频器对永磁同步电动机进行驱动和控制。因此，研究如何在通用变频器上实现永磁同步电动机矢量控制具有非常重要的实用价值：(1)永磁同步电机矢量控制系统是一种高性能的交流调速系统。由于永磁同步电机结构简单、体积小、重量轻、效率高、过载能力大、转动惯量小以及转矩脉动小等优点，并且利用矢量控制思想，永磁同步电机可以使

2、得输出转矩随定子电流线性变化，永磁同步电机矢量控制系统可以达到优越的控制性能⑴。(2)我国是世界上最早利用磁的国家，早在公元前2500年前后就己经有相关天然.磁石的记载。同时，永磁材料产业的发展与电子信息、通信技术、矿业、航空航天、交通运输等行业密切相关，具有重要的战略意义[24]。(3)微电子技术的发展促进了数字技术在调速系统中的应用，配合高效软件可提供较好的灵活性和控制性能。电机控制系统的数字化进程是实现现代调速系统发展的方向之一。相比于模拟控制，数字控制更易于实现先进控制策略，同时数字控制系统的硬件成本低、结构简单且高效节能。1.2永磁同步电机

3、及其控制技术的研究现状1.2.1永磁同步电机的发展人类最早发明的电机是利用天然磁铁建立磁场的。1821年9月，法拉第发现通电导线在磁场中会受到力的作用，他第一次实现了把电能转化为机械能，从而在实验室建立了最初的电机模型，被认为是世界上第一台电机。1831年，在发现电磁感应现象之后不久，法拉第利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义上的电机法拉第圆盘发电机。1832年，斯特金发明了换向器，制作了世界上第一台能够连续运动的旋转电机。1845年，英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁，并取得了专利权，这是增强发电机输出功率的一个重要措施。1967年，杉钴永磁材

4、料的出现，开创了永磁电机发展的新纪元。随着科学技术的发展，各类电机不断问世，电机的种类越来越多。主要分为直流电机和交流电机两大类，而交流电机主要分为异步电机和同步电动机。异步电机结构简单，造价低廉且维护较少，可应用于在环境恶劣的场合，但也存在不少缺点，运转过程中电机发热导致转子电阻变化从而影响矢量控制性能。在交流调速系统发展初期，异步电动机在调速系统中得到了广泛的应用。相反，在变频器出现之前，同步电机的应用相对较少，主要是因为同步电机在工频电源下，静止的电机转子在定子旋转磁场的一个周期内受到的平均转矩为零，即同步电机无法实现自启动。因此，在变频器的广

5、泛应用之前，在工业应用中对同步电机进行调速是及其困难的。在大功率范围内的同步电机应用也往往是用来改善电网功率因数，直到变频电源技术的发展，才解决了上述问题，最终推动永磁同步电动机在工业调速系统中的发展与应用[6_8]。随着永磁材料性能的提高和价格的降低，以永磁同步电机为执行机构的交流调速系统已经成为当今调速系统的主流。交流永磁电机根据电机主磁场在定子绕组中感应出的电动势波形的不同，主要分为两大类：相感应电势波形为梯形波的称为无刷直流电机(TheBrushlessDCMotor,简称BLDC)，相感应电势波形为正弦波的称为永磁同步电机（Permanen

6、tMagSynchronousMotor，简称PMSM)。其相感应电势与电流之间的关系如图1.1所示。为产生恒定转矩，控制BLDC需要三相对称方波电流，而控制PMSM则需二相对称正弦电流。2永磁同步电机的数学模型及矢量控制原理2.1永磁同步电机的分类与结构因为永磁同步电机的转子上永磁体的安装方式的不同，则电机的制造工艺、适用场所、运行性能、控制方法也都有所不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机可分为:(i)表贴式永磁同步电机（Surface-mountedPMSM,简称SPMSM或SPM)，其转子结构如下图所示。SPM电机转子上的永磁体位于

7、转子铁芯的表面，通常呈瓦片形，为电机提供径向磁通。另外，因外包钢膜上的感生祸流损耗，造成较大的铁损，而且气隙较大，导致其效率较低。但磁阻转矩较小，若对其进行合理的控制可获得较好的低速运转特性。(ii)内埋式永磁同步电机（InteriorPMSM，简称IPMSM或IPM),此类电机转子上的永磁体位于转子内部，通常呈条状。由于此种转子具有不对称的磁路结构，所以它比SPMSM多一部分磁阻转矩，从而大大提高了电机的功率密度且易于实现弱磁控制。同时，由于永磁体在转子铁芯内部，所以这类电机有更加坚固的转子结构，适合运转于高速场合。IPM的定子电感随转子磁极位置非

8、线性变化，所以IPM的控制性能随定子电流换相相移影响。SPM与IPM的转子结构如图2.1所示。本文主要研究S