永磁同步電機分類

1、直流電動機因其具有艮好的啟動性能和調(diào)速件能.所以在加年代以前,需要調(diào)速的場合普遍使朗的都是査流電動機，直流電機調(diào)速察統(tǒng)不論在地面還是在骯空上得到了廣泛的宓用.但圧胖通的珂流電動機需要機械換相和電刷所以直流電動機構(gòu)虜?shù)闹^速系統(tǒng)可靠性差.as要經(jīng)常嫌護，換相時產(chǎn)q購電火牠、電磁干擾、噪聲等一系列問題嚴重限制了宜流電動機的便用場合閔.盹苻電力屯子技術(shù)、電力電了器件、肉忤能的水礙材料枷先進的調(diào)速技術(shù)的心沒仃r機械換相和電刷的水磁同洱電動機得到.WJ在電機結(jié)構(gòu)1:永磁同步電動機和直逾電動機有著明顯的區(qū)別。陽1.1(a)為祥通直流屯動機的結(jié)構(gòu)，其電樞繞組在轉(zhuǎn)子上*永雄冊鋼安裝在定ZMo圖11(b)為永碓同

2、步電動機的結(jié)構(gòu),其永磁鐵鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安裝在定子這樣的電機結(jié)構(gòu)就不隔塑換相趙和電刷匚(越n流電功機結(jié)構(gòu)e)水磁冋血電剛機結(jié)構(gòu)1.1m流電動機和永蠱員涉電剳機站構(gòu)比犢陽按水幽同步電機的反電勢來分類水幽電機仃兩種類熨：止弦波水磁同步電動機(PMSM)和無刷直流電動機(BLDCM).和正眩波永磁同步電動機相比，無刷直流電動機電動機本體結(jié)構(gòu)更加簡單釆用集中繞組后具有更高的功率密度,所以無刷直流電動機只仃更人的競爭力.但是因為其電流波形為方波，反電勢波形為梯形波，使其運行特性不如止弦波水磁同步電動機.限制了無刷/流電動機的應用.因此一般在要求運行性能高的場合采用正弦波永磁同步電動機,而在普通場

3、合才釆用無刷直流電動機,例如家用電器、辦公儀器設備等等。按永磁同步電機的轉(zhuǎn)f的水磁磁鋼安裝結(jié)構(gòu)來分類，一般可分為而貼式(也稱農(nóng)而式)、內(nèi)插式和內(nèi)埋式三種基本結(jié)構(gòu)的水磁同步電動機.(，)面貼式(，)面貼式(b)內(nèi)插式(c)內(nèi)埋式ffll.2水磁冋步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖圖1.2是三種基本的水磁同步機的轉(zhuǎn)子水磁雄鋼安裝結(jié)構(gòu)，K中，面貼式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在無刷直流電動機中采用較多,內(nèi)埋式的轉(zhuǎn)歹結(jié)構(gòu)在正弦波永磁同步電動機中使用的較多。因為面貼式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最為簡單，制造加工容易,成本較低,所以在工業(yè)中廣泛便用.但是其最大的缺點是不能應用在高速場合。永磁材料種類永磁同步電機使用的永磁材料主要分以F三種:鋁棵鉆系永磁材

4、料、鐵氧體水磁材料和稀上水磁材料。鋁探鉆系水啟材料爲高、熱穩(wěn)定性好，磁性能佳等特點，但是其存在鳳較小，£磁曲線是非線性的缺點鐵氧體水磁材料具仃去磁曲線線性、鳳大，仃校強的抗去磁能力的優(yōu)點，其缺點是：盡低，錄大磁能枳小，機械強度差。稀土水礎材料只仃島磁能枳、高矯頑力等等使英應用住較多的永磁電機中,具有了很多優(yōu)點.便其成為新-代航空航天和航海用電機的首選。中國是世界上第一稀土大國，所以可以預見使用稀土永磁材料的永磁同步電機會更將迅猛發(fā)展現(xiàn)今工業(yè)中使用較多的永磁材料是敎鐵硼和鐵氧體。八冇以上優(yōu)斤性能的水磁電機和電力電子技術(shù)相結(jié)合，使水蹴電機的應用領(lǐng)域更加寬廣，遍及了數(shù)控機床、計算機、汽車、

5、柔性制造系統(tǒng)等等木文研究的是“同步電機中的面貼式無刷直流電動機,和傳統(tǒng)直流電動機相比，無刷厲流電動機使用水碗材料替代厲流勵磁方案，使無刷克流電動機省去了電刷和換相器等影響電機可靠運行的裝置.在口前階段,工業(yè)中面貼式的無刷直流電動機以其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便等優(yōu)點而廣泛使用,但是其校差的運行性能限制了其在高性能場合的使用，提高這種廣泛使用的電機的運行性能顯得非常重要和迫切,這也是本文研究的目的和意義。1.2無刷直流電動機控制策略無刷貢流電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)如分別為I31N：U-2IR(1-2)式中力為轉(zhuǎn)速,C7為加到無刷直流電動機電樞繞組的電壓,7為定子電流,R為相電陽.G為電勢常數(shù)，為毎極磁

6、通，丁為轉(zhuǎn)爐，cy為轉(zhuǎn)爐常數(shù)。曲式(11)和式(1-2)nJ以斤出無刷直流電動機的機械'持性和直流電動機的機械特性接近，所以無刷直流電動機可以通過調(diào)節(jié)母線電壓或定子電流進行調(diào)速。卜文將介紹常用的尢制直流電動機的兒種控制方法.最簡控制方式仏簡控制方式卜無刷直流電動機系統(tǒng)只仃位置環(huán).該位世環(huán)僅起同步作用。電機不能實現(xiàn)調(diào)速，給定母線電爪后無刷4流電動機就匚作在一定轉(zhuǎn)速卜，其轉(zhuǎn)速不可調(diào),同時轉(zhuǎn)矩脈動較大圖1.3為該控制方式控制框圖.位刃傳喀器圖1.3最簡控制方式控制框圖調(diào)壓控制方式調(diào)壓控制方式卜位遏傳感器提供轉(zhuǎn)尹位置實現(xiàn)電機同步，同時根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)來控制母線電壓幅值.實現(xiàn)調(diào)爪

7、調(diào)速。圖1.4為調(diào)爪控制方式框圖。張動電路B1.4調(diào)JR控制方式控制橋圖以上兩種控制方式轉(zhuǎn)矩脈動都較人.不適合應用在髙性能要求應用場合.只能應用在諸如風機、水泵等場合。電流滯環(huán)PWM控制方式電流滯壞PWM控制方式是口前無刷直流電動機應用的最多的控制方法,該方法玄接控制電機的相電流，因此相比調(diào)爪調(diào)速的控制方法性能更好，較好的抑制電流的脈動。同時該方広控制可靠，控制結(jié)構(gòu)簡單,能滿足般運行性能卜的耍求.近來有很多文章研究PWM調(diào)制方式.并且在這基礎上便用各種方式來改»PWM調(diào)制方式擰制效果.使其具有更加好的運行性能f圖1.5是常見的電流滯環(huán)PWM的控制框圖.該方法通過-個PI速度調(diào)節(jié)器輸出

8、給定電流,與實際電流作比較,形成滯環(huán)控制，實現(xiàn)對電流脈動的限制.由式(1-2)nJ知，相電流的改善可以減小電流脈動，從而來改善電機的運行特性。該方法存在的不足還是根木上沒仃解決換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動同時電流滯環(huán)PWM調(diào)制模式下.滯環(huán)寬度減少能減小電流轉(zhuǎn)矩脈動,但帶來了如下不足: 電流滯環(huán)寬度的減小開關(guān)頻率上升.逆變橋開關(guān)損耗加人. 在電機電感較小或者在輕載悄況卜電機的電流變得很娥控制化滯環(huán)寬度內(nèi).圖15電流滯環(huán)PWM控制柿附在一般工程應用情況卜，無刷直流電動機使用上述控制方法就能滿足一般場介的運行性能要求，所以并沒仃很篡人2；追求把高性能的控制策略應用在無刷直流電動機上.但是如果使用高性能的控制策

9、略來使電機本體結(jié)構(gòu)簡單的無刷自:流電動機的運行性能改善.那無疑是相F仃吸I力的研究.木文嘗試把白接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應用到無刷直流電動機I:的研究就是想要得到這樣的效果,為無刷直流電動機的高性能控制另辟蹊徑1.3直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展和特點1986年德國的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashift授分別提出了基F畀步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)皿皿,該方案是堆70年代發(fā)展的欠量控制技術(shù)以右農(nóng)展起來的種具(jAn能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。1994年該調(diào)速技術(shù)被ABB公司研制成產(chǎn)品,ABB公司同時在1994年聲稱,:卜一世紀將是宜接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的世紀.ABB介司除直接轉(zhuǎn)爐控制以外，不再研究其他控

10、制方”、.近二十多年的研究和實踐使直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)得以迅速發(fā)展,理論體系更加完整，更為垂耍的意義是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應用范陽不斷擴大。直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展1986年兩位學者提出直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)時只是把該技術(shù)便用在異步電機調(diào)速上，但是20年過去了,發(fā)展到現(xiàn)在該調(diào)速方法應用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到同步電機、發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應用從異步電機到同步電機,因為電機運行原理的不同,所以用了十年多的時間才把直接轉(zhuǎn)機技術(shù)應用到同步電機調(diào)速系統(tǒng)中。異步電機的直接轉(zhuǎn)機控制是基J電機轉(zhuǎn)差角頻率控制的理論基礎上的,但覽在同步電機中并不存在電機轉(zhuǎn)差角頻率，所以需要一些創(chuàng)造性的工作來解決同步電機口接轉(zhuǎn)機控制理論問題。199

11、7T南京航空航天大學和澳大利亞新南威爾L大學合作.把直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應用到正弦波永磁同步電機(PMSM)±ID1,初步實現(xiàn)了正弦波永磁同步電機的化接轉(zhuǎn)爐捋制方案，2002年本課題組把正弦波水磴同步電機的Bang-Bangfi接轉(zhuǎn)如控制中零欠量問題解決以后，該基本理論才得到初步完善.1W2年SVM-DTC技術(shù)首先用感應電機的驅(qū)動中，2001年SVM-DTC技術(shù)成功應用到水磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中阿叫1998年ABB公司和芬蘭的拉彭蘭塔理匸大學合作研究把直接轉(zhuǎn)矩控制理論應用到電勵磁同步電機E1-111,1國內(nèi)的研究也正在開展皿2002年本課題組建立T畀步電機發(fā)電系統(tǒng)的克接轉(zhuǎn)爐控制理論，也稱瞬

12、時轉(zhuǎn)如控制卜1.2004年木課題組建立了基卜膚波岡的無刷直流電動機(BLDCM)直接轉(zhuǎn)矩控制理論,2005年國外開始相關(guān)研究便用直接轉(zhuǎn)審控制技術(shù)使用在無刷直流電動機(BLDCM)上妣,們是這樣的研究才剛剛開始，很多在便用無刷直流電機實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)XI控制的問題需要解決,很多相關(guān)的理論需要進-步的完善.直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的特點直接轉(zhuǎn)兀«控制技術(shù)的控制思想和欠址控制技術(shù)仃著木質(zhì)的不同,矢量控制技術(shù)以轉(zhuǎn)f磁場定向.用欠欣變換的方法，來解耦交流電機的控制參敵，使其等效成直流電機的控制.實現(xiàn)交流電機的高性能控制.但是這缺點也是客觀存在的,由F欠量控制技術(shù)受系統(tǒng)參數(shù)的形響,在矢雖坐標變換的復雜過程中,解耦

13、后實際控制效果達不到理論分析的效果.和欠雖控制技術(shù)相比血接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)厲接在定子坐標系卜進行分析，建立的數(shù)學電機模型更加簡瑕、氏觀，省去了煩瑣的坐標變換與計算，在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中更加簡潔，這點在實際工程中是冇著非常重要的實際意義的。同時，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對電機參數(shù)的依賴更小，基于定f磁場定向，所以在實現(xiàn)過程中觀測的只是定子磁鏈，那么需耍的電機參數(shù)只是定子電阻,而欠址控制技術(shù)需要觀測轉(zhuǎn)子的電阻和電感來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向,所以相比較而言直接轉(zhuǎn)矩控制受電機參數(shù)的形響更小.直接轉(zhuǎn)見控制技術(shù)崑接控制電機的轉(zhuǎn)矩，這個控制思想便H接H矩的動靜態(tài)性能都Yr不錯的效果叫木文礙要說明的是，徳國和FI木兩位枚授提出的直

14、接轉(zhuǎn)矩控制方案在理論推導和實現(xiàn)上還是何區(qū)別的,垠顯普的區(qū)別在于前者釆用的是六邊形的定F磁鏈運動軌跡.該方案通常又稱為直接I控制(DirectSelf-Control).該方案一般使用在大功率的電機調(diào)速領(lǐng)域.并且在大功率機車調(diào)速和提升機電氣傳動領(lǐng)域有很好的成功應用.后占采用的是惻形的定子磁鏈運動軌跡，一般稱為r接轉(zhuǎn)矩控制(DirectTorque-Control),該方案以審“I中小功率場含使用較紡前文提及的正弦波水磁同步電機f接轉(zhuǎn)矩控制方案就是使用的該方案。1.4無刷直流電動機(BLDCM)的直接轉(zhuǎn)矩控制同正弦波永鐵同步電動機相比,無刷直流電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制還是一個較新的課題川內(nèi)外的研究才剛

15、剛開始.可供參閱的文獻和資料均較少.同時，因為尢刷H流電動機電機結(jié)構(gòu)的特點.使直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的買現(xiàn)存在很多困朋實現(xiàn)過程中一些問題盂要解決。文獻24通過兩個滯環(huán)比較器來選擇最優(yōu)空何電壓欠呈實現(xiàn)無刷強流電動機的氏接轉(zhuǎn)地控制，同時推導了兩兩導通模式K逆變器導通模式欠就，因其采用兩兩導通方式，即毎個時刻只仃兩相導通.任何時刻存在關(guān)斷相，該關(guān)斷相對合成欠呈的影響，使定子碗鏈運動軌跡不能運行于惻形狀態(tài)，在每個欠量扇區(qū)定子磁鏈呈周期性變化,最終的定子磁鏈軌跡是惻鋸齒形，在陽區(qū)交界處出現(xiàn)鋸齒狀.該方案實現(xiàn)了無刷直流電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制,但是定子磁鏈給定和正弦波永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)機控制方案相比,要復雜紂多，

16、增加了計篦的復雜度和控制的難度。在11接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中定子磁鏈的給定是-個很重耍的步驟止眩波永磁同步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制給定的是一個常數(shù),而兩兩導通模式F無刷直流電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)因顧及關(guān)斷相反電勢對定子磁鏈的影響，使定子幽鏈給定變得困堆得箏，這是兩兩導通模式卜無刷直流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)需耍而對和解決的問題，這個問題將彫響直接轉(zhuǎn)機控制技術(shù)在無刷直流電動機上的應用前頭為了解決這個矛盾.木文采用/接n控制方案，使無刷宣流電動機匸作在三三導通模式卜，避免關(guān)斷相存住對定子磴璉軌跡的影響，該方案卜堆子磁徒軌跡為六邊形，宦子破鏈給定為常數(shù)，這樣大大簡化了無刷直流電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制的貝雜度。1.5通用數(shù)字控制平臺一個好的控制方法需要一個好的控制平臺去實現(xiàn)，隨著半導體技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，個復雜的控制只法也能在T程應用I:很好的實現(xiàn)岡,直接轉(zhuǎn)爐控制技術(shù)的發(fā)展同高性能的DSP仃著密切的關(guān)系，堪本的口接轉(zhuǎn)矩控制方案是一種Bang-Bang控制，所以控制周期的長短成了直接轉(zhuǎn)矩控制效果