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永磁同步電機(jī)
閱讀�31758�(shí)間:2011-03-13 15:03:44

  永磁同步電機(jī)是交流驅(qū)�(dòng)系統(tǒng)以永�同步電機(jī)為驅(qū)�(dòng)電機(jī)的設(shè)�,它以永磁體替代電勵(lì)磁電�(jī)的勵(lì)磁繞�。隨著新材料、機(jī)電一體化、電力電�、計(jì)算機(jī)、控制理論等各種相關(guān)新技�(shù)的快速發(fā)展,永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)�(kāi)拓了很廣泛的�(yīng)用領(lǐng)�,能�?qū)崿F(xiàn)高�、高精度、高�(wěn)定度、快速響�(yīng)、高效節(jié)能的�(yùn)�(dòng)控制�

背景介紹

  永磁同步電機(jī)概述永磁同步電機(jī)出現(xiàn)�20世紀(jì)50年代,它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電�(jī)相同,但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電�(jī)�(jié)�(gòu)�(jiǎn)�。永磁同步電�(jī)省略了普通同步電�(jī)所特有的集電環(huán)和電�,提高了電機(jī)�(yùn)行的可靠�。由永磁體激�,無(wú)須激磁電�,因而提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)�

  普通同步電�(jī)�(diào)節(jié)�(lì)磁電流的大小可以人為地改變勵(lì)磁磁�(shì)的大�。永磁同步電�(jī)以永磁體代替電勵(lì)磁繞組作為磁�(shì)�,它�(duì)外提供的磁通‰和磁勢(shì)L隨著外磁路磁�(dǎo)和電樞反�(yīng)磁場(chǎng)的變化而自�(dòng)變化,無(wú)法直接調(diào)節(jié)永磁鐵磁�(shì)的大�。永磁體作為磁路的一部分,由于磁鐵的磁導(dǎo)率低,對(duì)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)起削弱作用,使得永磁同步電機(jī)的直軸電樞反�(yīng)電抗比交軸反�(yīng)電抗小得��

  普遍�(rèn)為永磁同步電�(jī)存在著無(wú)異步起動(dòng)能力和重載時(shí)有振蕩失步的危險(xiǎn)。永磁同步電�(jī)起動(dòng)�(shí),雖然定子繞組中通以交變電流并建立旋�(zhuǎn)的定子磁�(chǎng),旋�(zhuǎn)的定子磁�(chǎng)在永磁體磁極中產(chǎn)生相互作�,由于其�(zhuǎn)子慣性較�,使得電�(jī)�(wú)法獲得足夠的起動(dòng)力矩。永磁同步電�(jī)以某一頻率旋轉(zhuǎn)�(shí),負(fù)載的變化只是改變了定子磁�(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角,此�(shí)電機(jī)仍保持同步轉(zhuǎn)速旋�(zhuǎn),當(dāng)定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角增大并超�(guò)�(fù)載角,此�(shí)電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體�(wèn)的磁力將�(wú)法維持負(fù)載平衡,使得�(zhuǎn)子脫離同步轉(zhuǎn)速發(fā)生失��

  電機(jī)變頻�(diào)速技�(shù)為解決永磁同步電�(jī)異步起動(dòng)和失步振蕩問(wèn)題提供了解決辦法。永磁同步電�(jī)起動(dòng)�(shí),變頻器輸出較低頻率的電壓在電機(jī)中形成旋�(zhuǎn)緩慢的定子磁�(chǎng),隨著負(fù)載角的增�,電磁力矩也相應(yīng)增大并克服轉(zhuǎn)子慣性使其旋�(zhuǎn)。其�(zhuǎn)速隨著變頻器頻率的升高而逐漸升高至某一�(zhuǎn)�,完成起�(dòng)�(guò)�。在變頻�(diào)速中�(duì)�(zhuǎn)速和�(zhuǎn)矩實(shí)行閉�(huán)控制,可隨時(shí)�(diào)節(jié)同步�(zhuǎn)速,避免永磁同步電機(jī)出現(xiàn)失步�(xiàn)��

  有別于異步電�(jī),同步電�(jī)只能通過(guò)�(diào)頻的方式�(jìn)行調(diào)�。盡管電�(jī)�(zhuǎn)速可與電源頻率保持同�,但�(duì)于車(chē)輛行駛工況中存在不確定負(fù)載擾�(dòng)的場(chǎng)�,僅僅依靠外部裝置設(shè)置供電頻率的方式�(dá)不到電動(dòng)汽車(chē)的性能要求。反饋電�(jī)�(zhuǎn)速信息,由電�(jī)�(zhuǎn)子軸上的位置傳感器發(fā)出的脈沖控制定子電壓頻率能夠獲得更好的效�。永磁同步電�(jī)能夠滿足電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)�(dòng)要求,在電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用中越來(lái)越受到重��

系統(tǒng)�(jié)�(gòu)

  永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)除電�(jī)�,系�(tǒng)主要包括�(qū)�(dòng)單元、位置控制系�(tǒng)、速度控制�、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單�、電流反饋單�、通訊接口單元��

  1.永磁式交流同步伺服電機(jī)。永磁同步電�(jī)永磁式同步電�(jī)具有�(jié)�(gòu)�(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特�(diǎn)。和直流電機(jī)相比,它�(méi)有直流電�(jī)的換向器和電刷等需要更多維�(hù)給應(yīng)用帶�(lái)不便的缺�(diǎn)。相�(duì)異步電動(dòng)�(jī)而言則比較簡(jiǎn)�,定子電流和定子電阻損耗減�,且�(zhuǎn)子參�(shù)可測(cè)、控制性能�,但存在�(zhuǎn)矩受永磁體去磁約�,抗震能力差,高�(zhuǎn)速受限制,功率較小,成本高和起動(dòng)困難等缺�(diǎn)。與普通同步電�(dòng)�(jī)相比,它省去了勵(lì)磁裝置,�(jiǎn)化了�(jié)�(gòu),提高了效率。永磁同步電�(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精�、高�(dòng)�(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制,因此永磁同步電�(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國(guó)�(nèi)外學(xué)者的廣泛�(guān)��

  2.驅(qū)�(dòng)單元。驅(qū)�(dòng)單元采用三相全橋自控整流,三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC�(jié)�(gòu)。設(shè)有軟啟動(dòng)電路和能耗泄放電路可避免上電�(shí)出現(xiàn)�(guò)大的瞬時(shí)電流以及電機(jī)制動(dòng)�(shí)�(chǎn)生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅(qū)�(dòng)電路,保�(hù)電路和功率開(kāi)�(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)�

  3.控制單�。控制單元是整�(gè)交流伺服系統(tǒng)的核�, �(shí)�(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制�。具有快速的�(shù)�(jù)處理能力的數(shù)字信�(hào)處理�(DSP)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng),集成了豐富的用于電�(jī)控制的專(zhuān)用集成電�,如A/D�(zhuǎn)換器、PWM�(fā)生器、定�(shí)�(jì)�(shù)器電�、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜�(tài)RAM和大容量的程序存�(chǔ)器等�

  4.位置控制系�(tǒng)。對(duì)于不同的信號(hào),位置控制系�(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號(hào)有三種形�:位置輸入(位置階躍輸入)、速度輸入(斜坡輸入)以及加速度輸入(拋物線輸入)。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓�、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋�(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波�,能輸出�(zhuǎn)子的位置,但其解碼電路復(fù)�,價(jià)格昂�。磁編碼器是�(shí)�(xiàn)�(shù)字反饋控制性價(jià)比較高的器件,還可以依靠磁極變化檢測(cè)位置,目前正處于研究階段,其分辨率較低�

  5.接口通訊單元。接口包括鍵�(pán)/顯示、控制I/O接口、串行通信�。伺服單元內(nèi)部及�(duì)外的I/O接口電路�,有許多�(shù)字信�(hào)需要隔�。這些�(shù)字信�(hào)代表的信息不�,更新速度也不��

�(shù)�(xué)模型

  � 永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)�(gòu)

永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)構(gòu)

  一�(tái)永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁結(jié)�(gòu)如圖所�,其中各相繞組的軸線方向也作為各相繞組磁鏈的正方�,電流的正方向也�(biāo)在圖�,可以看出定子各相的正值電流產(chǎn)生各相的�(fù)值磁�,而定子繞組的電壓正方�?yàn)殡妱?dòng)�(jī)慣例。在建立�(shù)�(xué)模型之前做如下的假設(shè):忽略鐵心飽和;不計(jì)渦流和磁滯損�;轉(zhuǎn)子上�(méi)有阻尼繞�;永磁材料的電導(dǎo)率為0;相繞組中感�(yīng)電動(dòng)�(shì)波形是正弦波。根�(jù)以上的假�(shè)和一系列的推�(dǎo)可得到永磁同步電�(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)�(xué)模型如下�

  定子電壓方程�

  (1)(1)

  (2)(2)

  定子磁連方程:

  (3)(3)

  (4)(4)

  將方程(3)和�4)代入到方程�1)和�2�,得到如下方程:

  (5)(5)

  (6)(6)

  將(5�-�6)合并得到如下方程:

  (7)(7)

  將(7)方程變化成適合在matlab/simulink�(huán)境下能搭建模型的方程,即�

  (8)(8)

  以上式子中:p-微分算子,rs-電驅(qū)繞組電阻,ωr-�(zhuǎn)子角速度,ψf-永磁體產(chǎn)生的磁鏈,是常數(shù),ld,la是d,q線圈的自��

  電磁�(zhuǎn)矩方程: (9) (9)

  電機(jī)�(zhuǎn)子的�(jī)械運(yùn)�(dòng)方程為:   (10)(10)

  電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度方程:  (11)(11)

  而式子中的p為轉(zhuǎn)子極�(duì)�(shù);te為電磁轉(zhuǎn)�;tl 為負(fù)載轉(zhuǎn)�;j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)�(dòng)慣量;b為阻尼系�(shù)�

控制策略

  矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是永磁同步電機(jī)兩種典型的控制策��

  一、永磁同步電�(jī)矢量控制

  永磁同步電機(jī)矢量控制方法主要有:id=0控制、COSψ=1控制、恒磁鏈控制、轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制、輸出功率控制等,其�,id=0控制方式最�(jiǎn)單,COSψ=1控制則可以降低與電機(jī)匹配的變頻器容量,而恒磁鏈控制可以增大電動(dòng)�(jī)的輸出轉(zhuǎn)��

  二、永磁同步電�(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控�

  直接�(zhuǎn)矩控制放棄了矢量控制的解耦思想,采取定子磁鏈定向.利用離散的兩�(diǎn)�(Ban&Band)�(jìn)行調(diào)節(jié),直接對(duì)電機(jī)的磁鏈和�(zhuǎn)矩�(jìn)行控�,使電機(jī)�(zhuǎn)矩響�(yīng)迅��

  1996�,英�(guó)的French等Ll”發(fā)喪了�(guān)于永磁同步電�(jī)直接�(zhuǎn)矩控制的淪文�1997年.由澳大利亞的Zhong、Rahman教授和南京航空航天大�(xué)的胡育文教授合作提出了基于永磁同步電�(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方案,初步解決r直接�(zhuǎn)矩控制應(yīng)用于水磁同步電機(jī)的理論基�(chǔ)�

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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