永磁同步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告題目：調(diào)速永磁電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與信息學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師:2011年3月12日開題報告填寫要求1.開題報告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效。2. 開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按此電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪及，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見。3. “文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述

2、的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于10篇（不包括辭典、手冊），其中至少應(yīng)包括1篇外文資料；對于重要的參考文獻(xiàn)應(yīng)附原件復(fù)印件，作為附件裝訂在開題報告的最后。4.統(tǒng)一用A4紙，并裝訂單獨(dú)成冊，隨畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書等資料裝入文件袋中。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報告1.文獻(xiàn)綜述：結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料,每人撰寫2500字以上的文獻(xiàn)綜述，文后應(yīng)列出所查閱的文獻(xiàn)資料。1.調(diào)速永磁同步電機(jī)簡介1.1調(diào)速永磁同步電動機(jī)概述永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行原理與電勵磁同步電動機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代了后者的勵磁繞組勵磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電

3、動機(jī)運(yùn)行的可靠性；乂因無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機(jī)的效率和功率密度。因此永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、損耗小，效率和功率因數(shù)高等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而它是今年來研究得較多并在各個領(lǐng)域中得到越來越廣泛應(yīng)用的一種電機(jī)。永磁同步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子有無起動繞組可分為調(diào)速永磁同步電動機(jī)和異步起動永磁步電動機(jī)。本文重點(diǎn)介紹調(diào)速永磁同步電動機(jī)。所謂調(diào)速永磁同步電動機(jī)，是指主要用丁變頻供電的場合，利用頻率的逐步升高而起動，并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)在開環(huán)控制情況下調(diào)速運(yùn)行時，不需要位置傳感器和速度傳感器，只要改變供電電源的頻率便可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是由定子電流交

4、變頻率和極對數(shù)決定的，在電勵磁的同步電動機(jī)中,允許電動機(jī)在任何功率因數(shù)下工作。由丁永磁同步電動機(jī)其本身是一個自控式同步電機(jī)，它有定子和轉(zhuǎn)子組成，有的帶位置傳感器，有的應(yīng)用場合因安裝的不便利及成本上的要求無法安裝位置傳感器。有的定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體，有的轉(zhuǎn)子是線圈，定子是永磁體。但無論哪種方式，電機(jī)本身是不能夠自己執(zhí)行旋轉(zhuǎn)控制的，它必須依賴電子換相裝置，這也是為什么這種電機(jī)需要變頻控制的原因。自控式調(diào)頻方法從根本上解決了振蕩、失步問題。因此，同步電動機(jī)變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍越來越廣闊，在電氣傳動領(lǐng)域里占有相當(dāng)大的比重。隨著電機(jī)制造與控制技術(shù)的飛速發(fā)展，加之大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體功率器件和微處理器

5、技術(shù)的進(jìn)步，伺服技術(shù)作為自動化的基礎(chǔ)技術(shù)，有了革命性的進(jìn)步。再加上永磁鐵的加入，使得電機(jī)的效率更高，體積更小，永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)是用永磁體取代繞線式同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。因此調(diào)速永磁同步電動機(jī)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以來，具有高磁能積（Br1T,Hc80kA/m）、價格低廉的仗鐵硼（NdFeB永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電動機(jī)得到了很大的發(fā)展，世界各國（以德國和日本為首）掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電動機(jī)及其伺服控制器的熱潮，尤其在數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人等小功率的應(yīng)用場合，永磁同步伺服電機(jī)是主要發(fā)展趨勢。1.2永磁同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展

6、現(xiàn)狀最早對永磁同步電機(jī)的研究主要集中在固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性方面，尤其是對穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能方面的研究。從80年代開始，國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。無阻尼繞組可以防止永磁材料溫度上升，使電機(jī)力矩慣量比上升，電機(jī)脈動力矩降低等優(yōu)點(diǎn)。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與包定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。G.I乙Slemon等人針對調(diào)速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出了高效率、高力矩慣量

7、比、高能量密度的永磁同步電動機(jī)，使永磁同步電動機(jī)伺服驅(qū)動性能得到了提高。D.Nuanin等研制了一種永磁同步電動機(jī)欠量控制系統(tǒng)，采用16位單片機(jī)8097作為控制器，實(shí)現(xiàn)高精度、高動態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。永磁同步電動機(jī)欠量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（N）控制。N控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能。N.Matsui,J.H.1ang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用丁永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電動機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能。通過對電動機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識，

8、并運(yùn)用辨識的參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。B.K.Bose等人一直致力丁人工智能技術(shù)在電氣傳動領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了很好的研究成果。與此同時，國外一些著名的公司，如日本的FANUC安川、富士通、松下，美國的AB公司、科爾摩根公司，德國的西門子公司，法國的BBC公司、韓國三星公司等不斷推出交流伺服驅(qū)動產(chǎn)品。隨著DSP術(shù)的飛速發(fā)展，永磁同步伺服系統(tǒng)的數(shù)字化正在快速地進(jìn)行著。天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等研究了單片機(jī)或DSP構(gòu)成的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，采用預(yù)測控制和空間欠量控制技術(shù)，改善電流控制性能和系統(tǒng)響應(yīng)精度，并開發(fā)了數(shù)字伺服系統(tǒng)。數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使系統(tǒng)獲得高精

9、度、高可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。1.3永磁同步電機(jī)工作原理當(dāng)永磁同步電機(jī)通入由三相逆變器經(jīng)脈寬調(diào)制獲得的正弦交流電源后，電機(jī)的定子繞組會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，它與轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼所產(chǎn)生的磁場互相作用，產(chǎn)生一個與定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場方向一致的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩克服了轉(zhuǎn)子本身的慣量和由永磁體磁鋼所產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩時，電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動起來，并且不斷加速，直至定子旋轉(zhuǎn)磁場帶動轉(zhuǎn)子永磁體磁鋼一起同步運(yùn)行。為了獲得最大轉(zhuǎn)矩，輸入到三相繞組的正弦波電壓必，須使得定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通的火角接近90。為此，必須通過合適的電子控制來使得電機(jī)能夠正常運(yùn)行，而其中最重要的是獲得轉(zhuǎn)子的位置，轉(zhuǎn)子的位置可以通過位置傳

10、感器來獲得，也可以通過無傳感器控制算法計(jì)算來獲得。1.4調(diào)速永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1永磁同步伺服系統(tǒng)其基本工作原理是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號和定子電流傳感器獲得的三相電流值后，送人到主控單元，控制器通過某種控制算法，并與系統(tǒng)給定信號進(jìn)行比較，從而得到逆變器的六路PWM!號，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自同步運(yùn)行。2.永磁同步電機(jī)的控制原理及方法何電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機(jī)的主磁場和電樞磁場在空間互差90,因此可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較

11、差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機(jī)控制有包壓頻比控制、欠量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方案。2.1包壓頻比控制包壓頻比控制是一種開環(huán)控制。它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間欠量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓進(jìn)行控制，使電動機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由丁開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用丁一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。2.2欠量控制高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對丁交流電動機(jī)，目前使用最廣泛的當(dāng)屆欠量控制方案。自1971年德國西門子公司F.Blaschke提出欠量控制原理，該控制方案就倍受宵睞。因

12、此，對其進(jìn)行深入研究。欠量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標(biāo)通過欠量變換，將三相交流電動機(jī)的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。因此欠量控制的關(guān)鍵在丁對定子電流幅值和空間位置（頻率和相位）的控制。欠量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對id,iq的控制。由丁定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間欠量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行欠量控制，而且對電動機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。2.3直接轉(zhuǎn)矩控制欠量控制方案是一種有效的交流伺服電動機(jī)控制方案。但因其需要復(fù)雜的欠量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機(jī)的機(jī)械常數(shù)低丁電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)欠量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對欠量控制的這一缺點(diǎn)，德國學(xué)者Depenbro