永磁同步电机控制方法及算法融合概述

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1、永磁同步电机控制方法及算法融合概述1绪论1.1永磁电机发展历程永磁电机的发展历程与永磁体材料的发展、计算机技术的发展、电磁场理论仿真和机械加工工艺水平的发展密切相关。早在两千多年前，我国就已经利用永磁材料制成了指南针，成为最早发现永磁材料的磁特性并将其应用于生产实践中的国家。公元1831年，英国科学家法拉第将一个环形封闭的导线通过电磁场，而且当他在磁场中转动导线时有电流流过电线，法拉第意识到了电和磁场之间有某种紧密的关联，之后建造了第一座发电机原型。第二年，受法拉第发现的启发，法国人皮克希应用电磁感应原理制成了最初的发电机，当时用的永磁材料是天

2、然的磁铁矿石，磁能密度很低，随后就被电励磁电机所取代。随着人们对永磁材料的物理原理和制造技术的深入研究，科学家们相继发现了淬火马氏体钢、钨钢、钴钢等永磁材料，这些永磁材料矫顽力和磁能积都很低（钨钢最大磁能积约2.7kJ/m3，钴刚最大磁能积约7.2kJ/m3），限制了永磁材料在电机上的使用。随后20世纪30年代铝镍钴系永磁合金和50年代铁氧体永磁材料的发现，永磁材料的磁能积有了很大提升（铝镍钴系永磁合金最大磁能积约85kJ/m3，铁氧体永磁材料最大磁能积约40kJ/m3），推动了永磁电机在军事、工农业生产和日常生活中的广泛应用，应用的功率范围从

3、毫瓦级别到几十千瓦级别。上世纪60年代和80年代，以钐钴合金和钕铁硼合金为代表的稀土永磁合金的先后诞生激发了科学家们研究和探索新型永磁材料的热情，材料学科的发展迎来了高潮。.1.2永磁同步电机伺服驱动系统小惯量的伺服直流电动机的实用化要追溯到上世纪70年代，交流伺服系统的发展开始于70年代末。自此，交流伺服系统研究和应用领域越来越广泛，并且还有取代直流伺服系统的趋势，直到今天，交流伺服系统已经成为电气伺服系统的主流。随着永磁材料制造水平不断提高，价格不断下降，控制策略的研究深入，转子为永磁体的永磁同步电机的伺服系统应用范围越来越广泛。典型的永磁

4、同步电机伺服驱动系统主要由控制系统、伺服驱动器、永磁同步电机及传感器信号反馈部分组成。电机驱动可定义为其将能量从电网的电能有效转换为机械负载的能力，其主要目的是控制机械负载或工艺过程。典型的现代电机伺服驱动系统如图1.2，图中所示，电机驱动的能量流动方向一般通过变换器和电机将电能传输到机械负载的动能[6]。然而，在一些情况下，能量的流动方向可逆，此时驱动变换器通常配置成双向导通，使得能量能够从机械能传输到电网。随着驱动设备网络化的发展，图1.2中的控制部分必须能够与计算机系统进行互联通信，这是现代电机伺服驱动系统发展的必然趋势，与计算机系统之间

5、的通信链路可以给伺服驱动系统提供调试、初始化、故障诊断以及更加复杂和更高层次的过程控制等功能。现代的嵌入式数字控制器还必须具有高速逻辑器件、处理器和电子电路来处理多种来自机电传感器的信号，如电机的转子位置、绕组通过的电流、绕组端电压以及内部的温度等等反应机电系统工作状态的传感器信号。2正弦波永磁同步电机特性分析及建模2.1永磁同步电动机的电磁过程与矩角特性正弦波永磁同步电机分为面装式、插入式和内装式。面装式正弦波永磁同步电机又称作正弦波表面永磁同步电机，插入式和内装式正弦波永磁同步电机又称作正弦波内置永磁同步电机。正弦波表面永磁同步电机定子和转

6、子之间的气隙均匀，直轴和交轴的同步电抗几乎相等，正弦波内置永磁同步电机气隙较小且不均匀，直轴同步电抗小于交轴同步电抗。因此，面装式正弦波永磁同步电机呈现隐极式同步电机的特性，而插入式和内装式正弦波永磁同步电机呈现凸极式同步电机的特性[3]。正弦波永磁同步电机由于转子永磁体安装形式不同而表现出隐极和凸极两种不同的电磁特性。正弦波内置永磁同步电动机呈现凸极式永磁同步电机特性，直轴同步电抗小于交轴同步电抗，参考图2.2左图示的正方向假定，根据基尔霍夫电压定律得式(2-5)，只是式中的漏电势和电枢反应电势由于直轴和交轴之间的同步电抗不同而有变化，电枢反

7、应电势分为交轴和直轴两部分。.2.2三类坐标系下的正弦波PMSM数学模型建立电气模型的建立与正弦波永磁同步电动机的电磁关系、磁路模型、转子位置和转速等因素都有关系，鉴于正弦波永磁同步电动机是一个多变量、强耦合的非线性系统，为了简便起见，需要对实际的电机变量、参数作相应的简化。通常按照以下六点进行模型简化。1、假定忽略磁路饱和现象；2、假定电机三相绕组反电动势分别为标准的正弦波形且对称；3、假定忽略电涡流和磁滞效应；4、假定三相绕组电阻相等；5、假定转子磁链在气隙中呈正弦分布；6、假定气隙分布均匀，气隙磁阻恒定。本章节分析了正弦波表面永磁同步电动

8、机和正弦波内置永磁同步电动机的电磁过程和矩角特性，分析了定子绕组电阻值对矩角特性的影响，当考虑定子绕组电阻后，最大电磁转矩有所减小，最大电磁转矩出现时