永磁同步电机调速控制探究及探析

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1、永磁同步电机调速控制探究及探析摘要:永磁同步电机相对于其它电机而言有着优异的性能，能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行,这不仅加速了永磁同步电机取代其它电机的速度，同时也为永磁同步电机的发展提供了广阔的空间。目前，永磁同步电机（PMSM）以其高功率密度、高性价比等独特优点受到国内外的普遍重视，因此，对永磁同步电机的调速控制研究具有非常重要的意义。论文首先介绍了永磁同步电机的各种控制策略，接着分析了永磁同步电机的结构及其特点。然后从矢量控制理论出发，重点分析了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上，探讨了空间电压矢量控制方法。关键词：调速控制系统;空间矢量控制;永磁同步电

2、机中图分类号：TM3文献标识码：A文章编号：1永磁同步电机的结构及其特点1.1永磁同步电机概述永磁同步电机的转子采用高性能的稀土永磁材料，使得电机尺寸减小；由于发热主体在定子侧，散热也比较容易；同时，其结构简单、效率和功率因素高及输出转矩大等特点，这些优点使得永磁同步交流伺服系统已成为现代伺服系统的主流，在很多驱动领域己经取代直流电机。1.2永磁同步电机的结构7永磁同步电机是用装有永磁体的转子取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷以电子换向器，实现无刷运行。PMSM的定子与绕线式同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电机

3、。永磁同步电机的定子是电枢绕组，转子是永磁体。就整体结构而言，永磁同步电机可以分为内转子和外转子式；就磁场方向来说，有径向和轴向磁场之分；就定子的结构而论，有分布绕组和集中绕组以及定子有槽和无槽的区别。1.3永磁同步电机的特点虽然永磁同步电动机转子结构差别较大，但由于永磁材料的使用，永磁同步电机具有如下共同的特点：（1）、体积小、质量轻。（2）、功率因数高、效率高，节约能源。（3）、磁通密度高、动态响应快。（4）、可靠性高。（5）、具有严格的转速同步性和比较宽的调速范围。（6）、永磁同步电动机的缺点是失去了励磁调节的灵活性；可能会出现退磁效应；钦铁硼永磁材料温度系数较高，造成其磁性能和热

4、稳定性较差；由于材料中含有大量的铁和钕，容易锈蚀等。72永磁同步电机的数学模型与矢量控制在介绍永磁同步电机矢量控制之前，先引入坐标变换的概念，因为在控制中都是以坐标变换作为理论基础的，同时还需要对永磁同步电机的数学模型进行分析，只有在了解数学模型的基础上我们才能对永磁同步电机的控制有更深刻的认识。因此，本章首先介绍了交流电机的坐标变换理论，然后分析了永磁同步电机的数学模型，并详细介绍了永磁同步电机的矢量控制策略。2.1坐标变换对于同步电机来讲，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施是落到对定子电流（交流量）的控制上，由于在定子侧的各物理量都是交流量，其空间矢量以同步转速在空间旋

5、转，对其调节、控制和计算均不方便。因此，需要借助坐标变换的方法，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，从同步旋转坐标系观察，电动机的各空间矢量就变成了静止矢量。Clark变换是将三相静止坐标系A、B、C向两相静止坐标系α、β转换：图2.1αβ与abc坐标系的关系电流矢量I在α，β轴上的分量为iα，iβ，用公式表示为：(2.1)电流矢量I在A、B、C三相上的分量ia，ib，ic，用7iα，iβ可表示为：(2.2)矩阵形式为：(2.3)逆变换即Clark变换为：(2.4)Park变换是将两相静止坐标系α、β向两相旋转坐标系d、q的转换。在MATLAB仿真中，永磁电机的转子机械角θ是q轴

6、与α轴的夹角，如图2.2所示：对其进行相应的Park变换，对应的变换公式如下：Park变换：(2.5)图2.2仿真中θ角的定义逆Park变换：(2.6)2.2永磁同步电机的数学模型三相永磁同步电机的定子与普通电励磁三相同步电机的定子相似，而且由永磁体产生的反电动势和由励磁线圈产生的反电动势基本相同，因此永磁同步电机的数学模型类似于电励磁同步电机。分析永磁同步电机时常用dq07坐标系下的数学模型。它不仅可用于分析稳态运行性能，也可以分析动态性能。在不计铁心饱和及损耗、三相电流对称、转子无阻尼绕组时，可得到dq0坐标系下调速永磁同步电机的数学模型。永磁同步电机结构如图2.3所示，A、B、C为

7、定子静止坐标系，d轴为固定在转子励磁磁通ψf上的坐标轴，q轴逆时针超前d轴90°电角度，这样就建立了随转子同步旋转的dq0坐标系。图2.3永磁同步电机结构简图定子磁链方程为：(2.7)式中：ψd包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链；而ψq只有定子交轴电流产生的磁链；id、iq为定子电流矢量在d、q轴的分量；Ld、Lq为定子绕组d、q轴电感；ψf为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链。定子电压方程为：(2.8)式中：ω为转子电