基于MATLABSIMULINK永磁同步电动机调速系统的建模与仿真.doc

1、摘 要 在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。永磁同步电机（PMSM）是一个复杂耦合的非线性系统。本文在Matlab/Simulink环境下，通过对PMSM本体、d/q坐标系向a/b/c坐标系转换等模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统仿真模型。仿真结果证明了该系统模型的有效性。关键词：Matlab/Simulink;永磁同步电机;电压空间矢量脉宽调制;仿真AbstractIn todays AC servo system, the vector control theory and SVPWM techn

2、ique make the AC motor can achieve the performance as good as DC motor when designing the AC servo system. PMSM is a nonlinear system with significant coupling. This novel method for modeling and simulink of PMSM system in Matlab is proposed. In Matlab /Simulink, the isolated blocks, such as PMSM bl

3、ock, coordinate transformation from d/q to a/b/c block, etc, have been modeled. The reasonability and validity have been testified by the simulate result.Key words: Matlab/Simulink; PMSM; SVPWM; simulation目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论- 1 -1.1选题背景及意义- 1 -1.2本课题的研究现状及前景- 1 -1.2.1相关发展- 2 -1.2.2永磁同步电动机的

4、运行控制方法- 3 -1.2.3永磁同步电动机在现代工业中的应用- 4 -1.2.4永磁同步电动机的应用前景- 6 -第2章 永磁同步电动机系统原理- 8 -2.1 永磁同步电动机的基本组成- 8 -2.1.1 电动机- 8 -2.1.2 转子位置传感器- 9 -2.1.3 逆变器- 9 -2.2永磁同步电动机的工作原理- 10 -2.2.1电枢反应- 11 -2.3 永磁同步电动机的数学模型- 14 -第3章 正弦波永磁同步电动机的调速系统- 18 -3.1正弦波永磁同步电动机的调速原理- 18 -3.2正弦波永磁同步电动机调速系统- 20 -3.2.1主回路的组成和控制- 20 -3.2.

5、2控制回路及系统工作原理- 23 -第4章 正弦波永磁同步电动机调速系统的建模与仿真- 24 -参考文献- 30 -结束语- 31 -致 谢- 32 - 32 -第1章 绪论1.1选题背景及意义众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子

6、上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维

7、护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，

8、偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。1.2本课题的研究现状及前景自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用。1.2.1相关发展(1)高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1:5，第二代钐钴2:17和第三代钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，

9、其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180，一般也可达150，已足以满足绝大多数电机的使用要求。永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是:用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构

10、，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积;省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。(2)电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件(大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET)的三代复合型场控器件(绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等)直至90年代出现的第四代功

11、率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升到设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。(3)大规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表

12、，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据处理能力，控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求，单片机往往都不能满足要求。近年来各种集成化的数字信号处理器(DSP)发展很快，性能不断改善，软件和开发工具

13、越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。1.2.2永磁同步电动机的运行控制方法永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。用独立的变频电源向永磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化，此即为外同步式永磁同步电动机运行。外同步运行常用于开环控制，由于转速与频率的严格关系，此运行方式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使用。例如，纺织行业纱锭驱动，传送带锟道驱动等场合。为此可选用一台较大容量的变频器同时向多台永磁同步电动机供电。当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步

14、电动机的起动问题。所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子的位置所决定，能自动地维持与转子磁场有90的空间夹角，以产生最大的电机转矩。旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定。用此种方式运行的永磁同步电动机除仍需逆变器开关电路外，还需要一个能检测转子位置的传感器，逆变器的开关工作，即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流，完全由转子位置检测装置给出的信号来控制。这种定子旋转磁场由由定子位置来决定的运行方式即自同步的永磁同步电动机运行方式，这是从60年代后期发展起来的新方式。自同步的永磁同步电动机运行方式从原理上分析可知，它具有直流电动机的特性，有稳定的起动转矩，可以

15、自行起动，并可类似于直流电动机对电机进行闭环控制。自同步的永磁同步电动机已成为当今永磁同步电动机应用的主要方式。 自同步永磁同步电动机按电机定子绕组中加入的电流形式可分为方波电动机和正弦波电动机二类。方波电动机绕组中的电流式方波形电流，分析其工作原理可知，它与有刷直流电动机工作原理完全相同。不同处在于它用电子开关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，从而实现了直流电动机的无刷化，同时保持了直流电动机的良好控制特性，故该类方波电动机人们习惯称为无刷直流电动机。这是当前使用最广泛的，很有前途的一种自同步永磁同步电动机。正弦波自同步永磁同步电动机其定子绕组得到的是对称三相交流电，但

16、三相交流电的频率、相位和幅值由转子的位置信号所决定。转子位置检测通常使用光电编码器，可更精确地获得瞬间转子位置信息。其控制通常采用单片机或数字信号处理器(DSP)作为控制器的核心单元。因其控制性能、控制精度和转矩的平稳性较无刷直流电动机控制系统为好，故主要用于现代高精度的交流伺服控制系统中。1.2.3永磁同步电动机在现代工业中的应用 现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机(包括无刷直流电动机)三大类。 按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。(1) 定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单

17、方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪

18、声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来，日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动机的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调机的升级换代。再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，

19、以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12中，框架厚度有6mm到18mm共有7种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。近年来的实践表明，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为减小体积、节省

20、材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还较少有应用。(2) 调速驱动有相当多的工作机械其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，

21、另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，

22、其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置;其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司的青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW300kW，体积比同容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多种场合。(3) 精密控制驱动 高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分

23、重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。 信息技术中的永磁同步电动机当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度

24、要求更是特别高。例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.10.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。1.2.4永磁同步电动机的应用前景由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的永磁同步电动机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电动

25、机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且这只能够前景会越来越明显。由于稀土永磁材料具有很高的剩磁密度和很大的矫顽力，由此做成的永磁转子在电动机内所需空间小，且它的导磁系数与与空气导慈系数相近，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻均较大，可大大减少电枢反应。因此，永久磁铁励磁的同步电动机具有体积小、重量轻、效率高、转子无发热问题、控制系统较异步电动机简单等特点。永磁同步电动机广泛用于千瓦级以下的伺服传动系统中。 正弦波永磁同步电动机具有三相定子分布绕组及永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子感应电动势具有正弦波。由脉

26、宽调节器（PWM）逆变器来保证同步电动机的外加电压及电流也是正弦波。永磁同步电动机采用自控式变频调速方法，在电动机轴上安装有转子磁极位置检测器，能检测出转子磁极的位置，控制定子侧变频器的电流频率及相位，使定子电流和转子磁链总是保持确定的关系，从而产生恒定的转矩。 第2章 永磁同步电动机系统原理 永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的带位置传感器，有的应用场合因安装的不便利及成本上的要求无法安装位置传感器。有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，这也是为什么这种电机需要变频控

27、制的原因。也可以这样说，该种电机系统有电动机，逆变器组成（有的还带位置传感器）。图2.1给出了一个基本系统原理结构图。逆变器BACBC _+UA位置传感器电动机图2.1永磁同步电机结构原理图2.1 永磁同步电动机的基本组成2.1.1 电动机 同步感应电机和直流电机相似，永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构成，三相交流绕组在定子上；永磁体在转子上。关于电机的基础理论知识部分可参考文献。定子： 定子通常也称作电枢，它由定子三相绕组、定子铁芯、机座和端盖等零部件所构成。定子铁芯是由冲压后的硅钢片紧密叠装而成。见图2.2。转子：转子有两种型式的结构，依据定转子之间的气隙分布有隐极式和凸极式之分。

28、见图2.2a为凸极式，从图可看出转子有明显的凸出磁极，且气隙不均匀分布。图2.2b为隐极式，转子成圆柱形，均匀分布气隙。对这两种转子需要采用不同的驱动方式。图2.2 定子、转子图电动机转子使用永磁铁励磁，目前常见的有铁氧体或稀土永磁材料。依据转子磁场几何形状的异同，磁场在空间上分布有方波（或梯形波）和正弦波两种。因此反电动势也有两种，根据反电动势的不同分别采用120度的直流方波控制或正弦波控制。2.1.2 转子位置传感器 在永磁同步电机中，通常转子位置传感器与电机轴联在一起，用来随时测定转子磁极的位置，为电子换向提供正确的信息。也有例外像洗衣机用的DD电机，往往将HALL安装到定子上，永磁体安

29、装的转子上。定子转子这里其实只是个相对的概念。目前，PMSM系统的位置传感器有很多种方式，像光电编码式、磁敏式、和电磁式等。也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器的，但无论哪种测量方式本质都是用来测量转子位置信息，只是安装的体积，方便程度，成本及可靠性要求不同而已。通常在家电变频器上，由于要求精度不高，安装体积要小，结构要简单，成本要低等，使得我们只能选择霍尔元件，而且它对周围环境的适应性很强，输出信号的边沿也好。2.1.3 逆变器位置传感器将转子的位置信号电平反馈给控制芯片，控制芯片经过电流采样和数学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，重新按新的PWM占空比

30、输出，来触发功率器件（IGBT或MOSFET），实际上逆变器是自控的，由自身运行来保证电机的转速和电流输入频率同步，并避免震荡和失步的发生。2.2永磁同步电动机的工作原理为方便理解我们先从BLDC电机120度直流方波控制来讲解电机的基本工作原理，而180度控制原理则是在120度方波控制的基础上加入正弦变化控制。换言之，针对电机最优的控制，要看电机的反电动势是方波还是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按正弦变化控制。无刷直流（BLDC）电机的基本旋转需依靠转子位置传感器检测的位置信息，然后经过电子换相电路来驱动控制同电枢绕组相连接的各个功率开关器件的关断或导通，从而起到控制绕组的通电状态

31、，并在定子上产生一个连续的旋转磁场，以拖动转子跟着旋转。随着转子的不断旋转，传感器信号被不断的反馈给芯片，主芯片据此来改变电枢绕组的通电状态，使得在每磁极下的绕组中的电流方向相同。因此可以产生恒定转矩，并使BLDC电机连续旋转运行起来。 BLDC电机三相绕组主回路有三相全控和三相半控两种。其中三相半控电路简单，一个功率开关驱动一相绕组，每个绕组只保持1/3的通电时间，而另外2/3的时间则保持断开状态，因此并没有被充分利用起来。所以我们通常选择采用三相全控电路，如图2.3所示。L1L2L3CBA+U图2.3 三相全控电路示意图所谓的120度变频控制，其实是采取两两导通方式的控制策略。所谓两两导通

32、方式指每一时刻仅有两个功率管导通，每1/6周期，开关管换相一次，而每次换相也即PWM调制一个功率管。下面给出一个典型的IGBT或MOSFET的连续通断开关顺T1T2-T2T3-T3T4-T4T5-T5T6-T6T1-T1T2，按此调制通断即可产生连续的旋转电枢磁势，从而使电机运转。见图2.4a和b。注意这里对120度变频来讲，每一步的PWM的占空比是固定不变的，从而产生直流方波。这种控制方式的特点，简单方便，容易掌握。而180度变频则不仅每1/6周期的PWM占空比不同，而且每一个PWM脉冲的占空比都在调整中，并在每个电周期内使电压按照正弦规律变化，对矢量变频来讲使能电流或磁通按照正弦规律周期变

33、化控制。ab图2.4 电机旋转示意图2.2.1电枢反应 空载时，同步电机气隙中仅有转子磁势存在。而带负载后，除转子磁势之外，还有定子三相电流产生的电枢磁动势。电枢磁动势的存在，会使气隙中磁场的位置和大小发生畸变，这种电枢磁势影响主磁极磁场的现象我们称之为电枢反应。电枢反应除了能使气隙磁场产生畸变之外，还会关系到机电能量转换，还有增磁或去磁作用，这对电机的运行性能会产生很大的影响。该反应的性质取决于，主磁场与电枢磁势在空间上的相对位置，分析表明该位置与负载电流Ia和激磁电动势E0之间的相位差有关，下面将根据它们之间的相位关系分别进行分析。 (1)与同相位时的电枢反应如图2.5与矢量相加后为气隙合

34、成磁动势，另外，习惯上用d（直轴）来表示转子磁极轴线，用q（交轴）来表示N，S极之间的中线。这样因为交轴磁势的存在，会使合成磁势轴线的位置发生位移，并且幅值也发生一定的变化。=0图2.5 =0时的电枢反应(2)滞后相位90电角度（=90）时的电枢反应如图2.6 显然从图中可看出电枢磁势的方向与气隙磁势的方向相反，电枢反应是去磁效果的。图2.6 =90时的电枢反应(3)超前相位90电角度（=-90）时的电枢反应如图2.7显然可以看出这时电枢反应是增磁作用的，也称之为直轴增磁电枢磁动势。图2.7 =-90时的电枢反应(4)对于=任意角度时的电枢反应 此时要分清电流超前电动势还是滞后电动势。电流滞后

35、电动势 ：0 90此时可利用迭加原理，将分解成两个分量 与 ，以及滞后于90电角度的分量 。见图2.8a，它们有如下数学关系： a b图2.8 =任意角度时的电枢反应 (2-l) (2-2)与E0同相，起交磁作用，与主磁势相反起去磁作用。也可以这样理解将电枢磁势Fa按分解如下： (2-3)电流超前电动势：-90 0从图2.8b上可看出：此时仍然起交轴作用，但与主磁势方向相同起增磁作用。综上分析有以下重要结论：电枢磁势除了产生交轴电枢反应外，当E0超前 Ia时，还会有一部分产生直轴去磁作用。当E0滞后Ia时，就会产生直轴增磁作用。这个结论也是我们根据电机的结构来进行最大扭矩每安培控制的依据，它直

36、接关系到能耗的多少。2.3 永磁同步电动机的数学模型 关于三相永磁同步电机的基本方程、等效电路、及分析可参考相关文献。三相电压的基本方程如下：参考图2.9。120120120UW图2.9 电机三相示意图 (2-4)电流公式与此类似也是相互之间有120度相位差。坐标系：参考图2.10acbrarbbq图2.10 坐标系根据图2.10有转换矩阵对于定子电压、电流、磁通都有变换式如下 (2-5)式中，x表示电压、电流、磁通； C表示系数转换矩阵；下面给出正弦波永磁同步电机的dq轴数学模型，该模型是分析调速型永磁同步电机最常用的方法，它不仅可以分析永磁同步电机的稳态性能，也可用于分析瞬态性能。为建立该

37、模型，首先假设：1） 忽略电机铁芯的饱和；2） 不计电机中的涡流损耗和磁滞损耗；3） 电机中的电流为三相对称正弦波电流；据此可得到如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程如下。 对电机有电压方程式: (2-6)磁链方程式: (2-7)转矩方程: (2-8)机电运动方程: (2-9)式中电压； 电流； 磁链； 定子电阻； 、下标，分别表示定子的d、q轴分量；、下标，分别表示转子的d、q轴分量；、定转子之间d、q轴互感；、定子绕组d、q轴电感；、转子绕组d、q轴电感； 永磁体的等效励磁电流，不考虑其它影响，其值为常数；永磁体产生的磁链；转动惯量； 阻力系数； 负载转矩； 对大多数正弦永磁同步电机因

38、转子上不存在阻尼绕组，因而上述方程可转化为： (2-l0) (2-l1) (2-l2)从式(2-l2)中也可看出，永磁同步电机的力矩输出中包括有两个转矩分量，首项是永磁转矩，次项是由不对称的转子因素所造成的磁阻转矩。对凸极式永磁同步电动机来讲，一般情况下有，例如像压缩机类电机，也有少部分电机有，例如日本质谱公司生产的部分永磁同步直驱电机。在这类情况下，为了充分的利用由于转子不对称的磁路结构所造成的磁阻转矩，针对的情况，应该使电流直轴分量为负值，也就是去磁，而对于的情况，就应该使电流的直轴分量为正值，也就是增磁。 将d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的交流量转化为旋转坐标系中的直流量

39、，并使 d 轴与转子磁场方向重合即可以实现转子磁场定向矢量控制。如按功率不改变这一条件进行约束，经坐标变换后，在dq轴系统中的各个量，磁链、电压、电流就等于三相轴系统（UVW）中各个相量有效值的倍。第3章 正弦波永磁同步电动机的调速系统3.1正弦波永磁同步电动机的调速原理由于转子磁通恒定，永磁同步电动机调速系统常采用转子磁场定向的矢量控制技术，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链r 方向上，其矢量图如图3.1。qis=iqAd r q图3.1 永磁同步电动机id1=0时的矢量图在转子d-q坐标系下， 永磁同步电动机的定子电压方为 ud1=Rs id1+pd1-rq1 (3-1) uq1=Rs

40、iq1+pq1-rd1 式中，ud1、uq1为定子电压矢量us的d、q轴分量，r为转子角频率，p为微分因子。永磁同步电动机定子磁链方程 d1=Ld id1+r (3-2) q1=Lqiq1式中，Ld、Lq为永磁同步电动机的直轴、交轴主电感，id1、iq1为定子电流矢量is的直轴、交轴分量。转矩方程为Te=pm(d1iq1-q1id1)=pmr iq1 +（Ld - Lq ）id1 iq1 （3-3）在基速以下恒转矩运行区中，常采用定子电流矢量位于q轴且全部位于产生转矩的控制方式，即id1=0， iq1= is 。此时转矩方程变为Te=pmr is （3-4）由于转子为永磁结构，r为常数，转矩仅

41、与定子电流的幅值成正比，类似于直流电动机，实现了解耦控制。只要控制好定子电流的幅值，就会得到满意的转矩控制特性。永磁同步电动机调速系统的原理框图如图3.2所示。qSBSCSAiCiBiAiB*iC*iA*is*-TAC*ASRACRPWM逆变器SM3-sinBQBRTTAATAB 图3.2 永磁同步电动机调速系统工作原理框图 首先，将转子位置检测器取的转子位子角q（旋转的d轴与静止的A轴之间的夹角），经正弦函数发生器转换成三个互差120的位置角正弦信号。SA =-sinq SB =-sin(q-120) (3-5) SC =-sin(q+120) 这三个位置正弦信号与速度调节器ASR的输出is

42、*相乘后作为电流调节器ACR的给定信号iA*、iB*、iC*。电流调节器ACR的输出作为变频器的控制信号，从而使变频器输出能够满足同步电动机要求的电流信号iA、iB、iC。从矢量图2.1可以看出，只有当 iA =-ISsinqiB =-IS sin(q-120) (3-6) iC =-IS sin(q+120) 时才能满足is位于q轴的控制方式要求。其中，IS为变频器输出的定子电流幅值。从时间矢量上来看，三相定子电流的空间合成矢量为is=iA+iB+2iC =1.5ISej(q+90) (3-7)式中，为旋转因子，=ej90。电流矢量的幅值为定子电流幅值IS的1.5倍，方向超前d轴90电角度，

43、即位于q轴，旋转角为 (3-8)因此，由矩阵方程式（3-6）得到的电磁转矩为Te=pmris= 1.5pmr is=KmIs (3-9)式中Km为比例系数，Km=1.5pmr。 由式（3-9）可知，转矩和电流幅值成正比，控制转矩的大小实际上就是控制控制定子电流幅值的大小。在此转矩下，电动机以角速度r做正弦变化，始终保持定子合成电流（磁动势）矢量超前转子90电角度，系统正常运行。3.2正弦波永磁同步电动机调速系统 如图3.3所示，正弦波永磁同步电动机调速系统的主回路由脉宽调制（PWM）逆变器、永磁同步电动机、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。控制回路由速度调节器、矢量变换器、PWM生

44、成器及驱动电路、转速反馈变换回路组成。3.2.1主回路的组成和控制（1）变频器。由于正弦波永磁同步电动机采用转子磁场定向控制，电流矢量的相位由转子位子检测器和矢量变换器保证，由式（7-10）知，电磁转矩只与定子电流的幅值成正比。所以，变频器应采用电流控制方式。可以采用带带电流内环控制的电压源型SPWM变压变频器，也可以采用电流滞环跟踪型的PWM型变压变频器。电流滞环跟踪型的PWM变压变频器的控制目标是：让输出电流在一定的误差范围内，跟随给定电流的变化。滞环跟踪型PWM逆变器的单相结构示意图如图3.4（a）所示。其工作原理是：当反馈电压的瞬时值i与给定电流i*之差达到滞环的上限时，i-i*HB(HB为滞环宽度)时，逆变器的VT1关断，VT4导通，电动机接电压-U,i下降；相反，i-i*HB时，VT1导通，VT4关断，电动机接电