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永磁同步电机

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永磁同步电机
永磁同步电机是交流驱动系统以永磁同步电机为驱动电机的设备，它以永磁体替代电励磁电机的励磁绕组。随着新材料、机电一体化、电力电子、计算机、控制理论等各种相关新技术的快速发展，永磁同步电机控制系统已经开拓了很广泛的应用领域，能够实现高速、高精度、高稳定度、快速响应、高效节能的运动控制。

目录
· 永磁同步电机的背景介绍
· 永磁同步电机的系统结构
· 永磁同步电机的数学模型
· 永磁同步电机的控制策略
· 永磁同步电机的背景介绍
o 永磁同步电机概述永磁同步电机出现于20世纪50年代，它的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但以永磁体激磁替代激磁绕组激磁使得电机结构简单。永磁同步电机省略了普通同步电机所特有的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由永磁体激磁，无须激磁电流，因而提高了电机的效率和功率因数。
普通同步电机调节励磁电流的大小可以人为地改变励磁磁势的大小。永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外提供的磁通‰和磁势L随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化，无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁体作为磁路的一部分，由于磁铁的磁导率低，对电枢反应磁场起削弱作用，使得永磁同步电机的直轴电枢反应电抗比交轴反应电抗小得多。
普遍认为永磁同步电机存在着无异步起动能力和重载时有振荡失步的危险。永磁同步电机起动时，虽然定子绕组中通以交变电流并建立旋转的定子磁场，旋转的定子磁场在永磁体磁极中产生相互作用，由于其转子惯性较大，使得电机无法获得足够的起动力矩。永磁同步电机以某一频率旋转时，负载的变化只是改变了定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角，此时电机仍保持同步转速旋转，当定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角增大并超过最大负载角，此时电机定子磁场与转子永磁体问的磁力将无法维持负载平衡，使得转子脱离同步转速发生失步。
电机调速技术为解决永磁同步电机异步起动和失步振荡问题提供了解决办法。永磁同步电机起动时，频率的升高而逐渐升高至某一转速，完成起动过程。在变频调速中对转速和转矩实行闭环控制，可随时调节同步转速，避免永磁同步电机出现失步现象。
有别于异步电机，同步电机只能通过调频的方式进行调速。尽管电机转速可与电源频率保持同步，但对于车辆行驶工况中存在不确定负载扰动的场合，仅仅依靠外部装置设置供电频率的方式达不到电动汽车的性能要求。反馈电机转速信息，由电机转子轴上的位置传感器发出的脉冲控制定子电压频率能够获得更好的效果。永磁同步电机能够满足电动汽车的驱动要求，在电动汽车的应用中越来越受到重视。
· 永磁同步电机的系统结构
o 永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。
1．永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。
2．驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)。
3．控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心, 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。
4．位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的输入信号有三种形式:位置输入（位置阶跃输入）、速度输入（斜坡输入）以及加速度输入（抛物线输入）。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件，还可以依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。
5．接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同，更新速度也不同。
· 永磁同步电机的数学模型
o 图 永磁同步电机的内部电磁结构
一台永磁同步电机的内部电磁结构如图所示，其中各相绕组的轴线方向也作为各相绕组磁链的正方向，电流的正方向也标在图中，可以看出定子各相的正值电流产生各相的负值磁链，而定子绕组的电压正方向为电动机惯例。在建立数学模型之前做如下的假设：忽略铁心饱和；不计涡流和磁滞损耗；转子上没有阻尼绕组；永磁材料的电导率为0；相绕组中感应电动势波形是正弦波。根据以上的假设和一系列的推导可得到永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型如下。
定子电压方程：
(1)
(2)
定子磁连方程：
(3)
(4)
将方程（3）和（4）代入到方程（1）和（2），得到如下方程：
(5)
(6)
将（5）-（6）合并得到如下方程：
(7)
将（7）方程变化成适合在matlab/simulink环境下能搭建模型的方程，即。
(8)
以上式子中：p-微分算子，rs-电驱绕组电阻，ωr-转子角速度，ψf-永磁体产生的磁链，是常数，ld，la是d，q线圈的自感。
电磁转矩方程：  (9)
电机转子的机械运动方程为：  (10)
电机的转子位置角度方程：  (11)
而式子中的p为转子极对数；te为电磁转矩；tl 为负载转矩；j为转子转动惯量；b为阻尼系数。
· 永磁同步电机的控制策略
o 矢量控制和直接转矩控制是永磁同步电机两种典型的控制策略。
一、永磁同步电机矢量控制
永磁同步电机矢量控制方法主要有：id=0控制、COSψ=1控制、恒磁链控制、最大转矩／电流控制、弱磁控制、最大输出功率控制等，其中，id=0控制方式最简单，COSψ=1控制则可以降低与电机匹配的变频器容量，而恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩。
二、永磁同步电机的直接转矩控制
直接转矩控制放弃了矢量控制的解耦思想，采取定子磁链定向．利用离散的两点式(Ban&Band)进行调节，直接对电机的磁链和转矩进行控制，使电机转矩响应迅速。
1996年，英国的French等Ll”发丧了关于永磁同步电机直接转矩控制的沦文，1997年．由澳大利亚的Zhg、Rahman教授和南京航空航天大学的胡育文教授合作提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制方案，初步解决r直接转矩控制应用于水磁同步电机的理论基础。

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