（电机与电器专业论文）速度高精度运动控制系统研究.pdf

蛹北i ：业大学硕士论文 摘耍 s t u d y o n d e s i g n o f d i g i t a lh i g hs p e e d p r e c i s i o n a cp m s ms e r v o s y s t e m a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h ed i s s e r t a t i o nc o m e sf r o mt h ea e r o s p a c er e s e a r c hp r o j e c t “a c c u r a t el a m p - h o u s et r a c k i n gs e r v os y s t e m ”t h ea c a d e m i ck e y p o i n t sa b o u t t h e s e r v os y s t e ma r ed i s c u s s e dt h o r o u g h l y t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ed i s s e r t a t i o nh a v e b e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e d t ot h ep r a c t i c a ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ed i g i t a l h i g hs p e e dp r e c i s i o n a cp m s ms e r v os y s t e ma n di t sd e s i g n t o r q u er i p p l ei st h ek e y t oe v a l u a t ea na cp m s ms e r v os y s t e m a p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri s s e l e c t e ds ot h a tt h es y s t e mc o u l dw o r ke x c e l l e n t l y m u l t i f o r mm e a s u r e sa r et a k e nt o w e a k e n i n gt h et o r q u er i p p l e ，s u c ha sa d o p t i n g s t a t o r - f l u m e ，c h o o s i n gr i g h tr a t i oo fm a g n e t - w i d t ha n ds l o t w i d t h ，a n dp r o g r a m m i n g p r o p e r l y ap e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rc a d s o f t w a r ei sw o r k e do u tf o r p r e d i g e s t i n g t h ed e s i g no f t h em o t o r l o w e ri n e r t i a ，l o w e ry a w pa n dh i g hp r e c i s i o na r et h ev i r t u e so f o p t i c a lr o t a r y e n c o d e r s i no r d e rt or e d u c et h ee n d r - a17 一b i t sa b s o l u t et y p ee n c o d e ri su s e da st h e r o t o rp o s i t i o ns e n s o n t h e s y s t e ms t r u c t u r e i su n i v e r s a la n dc o m p a c t ，w h o s ec o n t r o l l e ri sc o n s i s t e do f ad s pa d m c 4 0 1a n da l le m b e d d e d c o m p u t e rp c i 0 4 ，a n dm a i np o w e rp a n i sm a d e u po fi p m t h ee x p e r i m e n t sa n da p p l i c a t i o ns h o w e dt h a tt h es y s t e mi sp o s s e s s e do f r e a s o n a b l ed e s i g na n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s i n u s o i d a ld r i v e ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o la b s o l u t e t y p eo p t i c a lr o t a r ye n c o d e r , a c s e r v os y s t e m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节交流伺服系统国内外发展 上世纪5 0 年代末开始，运动控铝4 领域中进行了一场重要的技术变革将原 来只用于恒速控制系统的交流电动机实现速度控制，以取代制造复杂、价格昂 贵、维护麻烦的直流电动机。随着电力电子器件及微电子器件( 微型计算机及中、 大规模集成电路) 的迅速发展，以及现代控制理论向交流伺服领域的渗透，现在 在高精度、快响应的位置、速度伺服系统中，通常都采用交流伺服电动机。交 流伺服系统的客观发展趋势已表明，它完全可以和直流伺服系统相媲美、相抗 衡，并有取代的趋势。 自交流伺服出现以来，日本、西欧等一些工业先进国家在交流调速方面确 实有了长足的发展。并且确确实实出现了交流伺服系统取代直流伺服系统这一 根本性的变化。 1 1 1 交流电动机调速技术发展的动力 交流伺服系统之所以能够大举地进入电气传动调速控制的各个领域，并得 到迅速的发展，主要是由于以下两个原因： 一、直流电动机结构复杂，应用困难，成本高 直流电动机由于具有机械式换向器这一致命的弱点，从而给直流传动的应 用带来了一系列的限制。一是换向器表面线速度及换向电流、电压有一极限容 许值，约束了单台电机的转速、功率上限。超过这一极限时就只能采取多电枢 方案，这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控制系统的复杂性。有些特 高转速、特大功率的场合则根本无法用直流电机方案来实现。二是由于要照顾 到换向器的可靠工作，电枢及换向器的直径一般都做得比较大，因此电机的转 动惯量就大，这对于有快速响应要求的调速场合或是在安装场地上有尺寸要求 的场合是很不利的。三是换向器必须定期停机检修，运行中也要经常注意观察 换向器的火花情况。因此，在一些恶劣条件下或人难以接近的工作场所，使用 直流电机就很难保证长期运行的安全性。由于这些限制，人们长期以来直孜 孜以求地探索用没有换向器的交流电机实现调速来取代直流电机，突破它的限 制。 西北【业大学硕士论文 第一章绪论 二、采用交流调速，方便、节能 7 0 年代初出现的世界性石油危机，促使人们千方百计地寻找各种节能的途 径，以减少对石油的依赖。由于电力传动广泛地应用于机械、钢铁、矿山、冶 金、化工、石油、纺织、造纸、水泥、船舶、铁道等行业中，其中绝大部分生 产机械都采用电动机作为原动机。电机所消耗的电能，在各国的用电量中都占 有很大的比例。因此，有效地利用电动机，改进其运行性能，根据需要控制电 动机的转速，降低运行中的消耗，是节省电能的一个重要手段。 1 1 2交流电动机调速技术的发展趋势 尽管人们很早以前就致力于交流电动机调速技术的研究，但是由于不具备 理论与技术物质条件，以致长期以来未能取得突破性的进展。进入到上个世纪 7 0 年代，当现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型 计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重要进展的时候，才为交流电 动机调速技术的飞跃创造了一个坚实的基础。今后的交流调速技术将在以下几 个方面得到进一步的发展。 一、高性能化 产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和超过直流调速水平。 交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压频率( u f ) 恒定控制，不能满足对调速系统的要求。1 9 7 1 年伯拉斯切克( f b l a s c h k e ) 提出了交流电动机矢量控制原理后，交流调速得到了飞速的发展。 二、全控型大功率快速电力电子器件的发展为现代化的变频装置提供了物 质保证 交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，1 9 5 7 年世 界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流电动机调速技术的发展开辟了道 路。但是作为第一代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力，使得它的应用 领域就主要限于可控整流、有源逆变相交流调压，而无源逆变相对地应用较少。 经过1 0 年左右的研制，场效应晶体管( m o s f e t ) 、巨型晶体管( g t r ) 及门极关 断( g t o ) 晶闸管等全控型器件终于问世，并在实际应用中取得了理想的效果。 日前，全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、 好保护、小体积、集成化等方向继续发展着。电力电子器件发展的更进一步的 目标将是把控制、触发、保护等功能再集成化进来，从而形成了电力电子与微 电子技术相结合的产物，构成了最新一代的功率集成器件( e i c ) 。它的基本功能 是使动力和信息合一，成为机和电的关键接口，这为9 0 年代之后的最新一代高 两北i ：业大学硕士论文 第一章绪论 可靠、小型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提 供了新的发展基础。 三、脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于各类交 流电动机，为交流调速的酱及创造了条件 p w m 新方案的研究仍然是当前交流电动机调速技术的一个热门课题，新 的研究成果必将进一步推动变频电路的发展，使之日臻完善。 四、控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，微型计算机在性能、速度、 价格、体积等方面的不断发展为交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的 保证 随着计算机技术突飞猛进的发展，1 6 位乃至3 2 位微处理机的应用越来越 普及，且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现，在运动控 制系统中全部采用数字控制、充分发挥微机控制的综合优点的局面终了出现了。 数字调速技术不仅使传动系统获得商精度、高可靠性，还为新的控制理论与方 法提供了物质基础。因此，8 0 年代中期，世界各大电气公司的运动控制产品都 开始了从模拟到数字调速的换代。 从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：采用专用的硬件、 大规模集成电路( i c ) ：采用通用计算机硬件，软件模块化、可编程化。研制 交流调速系统专用的i c 芯片，使控制系统硬件小型化、简单化。日本的公司推 出的变频器都沿着采用专用i c 芯片方向发展。富士电机公司推出变频器采用专 用的数字信号处理器( d s p ) 芯片，并采用金属化表面技术( m s t ) ，使变频器体积 更小，可靠性更高。 8 0 年代末期，由德国西门子公司推出的s i m a d y n d 与a e g 公司推出的 l o g i d y n d 数字调速系统，采用了3 2 位计算机，硬件标准化、通用化，是一个 多微处理机全数字化的闭环控制系统通用单元系列，可以用于直流调速系统， 也可以用于交流调速系统。系统软件中包括有操作系统、数据传输、监视、诊 断及标准功能模块子程序等。在应用中采用图形编程语言，根据不同的传动系 统结构，把系统所需要的模块调出，并组接起来，就可构成一个专用的传动系 统，实际上它是一种实时控制系统的可编程序控制器。这一系统已在大型直流 调速系统和交一交变频同步电动机调速系统中采用。 专用硬件可以降低设备的投资，提高装置的可靠性，但应用范围受限制。 通用硬件可编程序控制，应用范围广，但造价高。从国际上采用数字调速的情 况来看，前者一般多用于中小容量的标准系列产品，后者多用于大型工程大容 西北_ = 业大学硕士论文第一章绪论 量的传动系统。由此可见，微机硬软件的工程化应用已进入了一个高级的阶段， 而交流电动机调速技术中的p w m 变频器的工作和交流电动机的复杂的解耦控 制原理以及长期工作的可靠性等问题，如果没有微机技术的支撑，是根本不存 在获得其工业应用的可能性的。 交流伺服系统从根本上解决了直流调速中电动机结构复杂、存在换向火花、 维护困难等缺陷。电力电子器件、脉宽调制技术、专用控制芯片以及控制理论 的发展，又使得交流伺服的发展与应用有了坚实的物质基础和理论基础。在高 精度伺服系统中，交流伺服正得到越来越广泛的应用。 第二节电机c a d 的发展趋势 长期以来，电机设计人员都是采用手工计算的方式进行电机设计，大量繁 杂的参数选择与计算，使得电机设计成为项非常耗时耗力且枯燥乏味的工作。 许多参数的选择要求设计人员具有非常丰富的设计应验，对于一个刚刚入行的 设计者，要想在短期内设计出令人满意的方案是非常困难的。电机c a d 的出 现，把设计人员从繁重的设计计算中解脱了出来，设计过程中的计算任务都由 计算机来完成，参数的调整也变得方便易行，电机设计成了一件轻松愉快的事 情。随着以高新技术为利器的设计业的发展，c a d 技术也必将得到前所未有的 深化应用。 目前在电机的c a d 中，除电磁设计程序的应用外，还包括电机的其它计 算和分析研究，如电机的稳态和暂态的热计算、临界转速和轴承承载能力的计 算、机械计算、电机瞬变过程分析计算、电机电磁场计算以及谐波分析计算等。 随着电子计算机外部设备的日益完善，使得电机产品的技术分析与综合、方案 选优、整理和选择经验数据、电磁设计、结构设计、制图与修改以及编制表格 等全部自动进行。 现在，较完善的电磁设计分析程序、开槽计算、循环计算等已经广泛应用， 优化计算、电磁场、瞬变过程与大型电机机械计算以及应用计算机制图、管理 的应用也已经开始。 从总体上讲，c a d 技术的发展趋势是智能化、集成化。 由于交流伺服电机用于伺服控制领域的时间还不长，交流伺服电机的设计 还不够成熟，也没有相应的c a d 软件。因此，交流伺服电机的c a d 系统还有 待进一步的研究。 4 西北工业人学硕七论文 第一章绪论 电机c a d 技术的智能化电机c a d 系统近十多年有了迅速的发展，很 多著名c a d 系统软件，在产品设计、分析、计算与绘图等方面发挥了重要的 作用。但设计工作并不仅限于此，在设计过程中，尤其是方案设计阶段，还必 须根据专家丰富的经验与知识，作出合理的判断与决策，才能获得优良的设计 结果。 将电机领域专家的知识与经验，运用人工智能技术，归纳成一些规则，形 成知识库。再利用推理机制，进行推理及判断，最终应用计算机处理后，获得 具有专家水平的设计结果。这种将人工智能技术与c a d 技术相结合，使c a d 系统智能化的计算机程序，又称为专家系统。9 0 年代初，应用于工程设计的专 家系统已取得令人瞩目的成绩，充分展示了它所具有的应用潜力和广阔的应用 前景。 电机c a d 系统的集成化电机c a d 系统的集成化是当前电机c a d 技术 发展的另一个重要方面。集成化形式之一，是将c a d 与c a m 集成为一个c a d c a m 系统。在这样的系统中，设计师可以利用计算机，经过运动分析、动 力分析、应力分析、确定零、部件的合理结构形状，自动生成工程图样文件， 存放在数据库中。再由c a d c a m 系统，对数据库中的图形数据文件，转换 后记录在磁盘上，直接用它控制计算机数控机床( c n c ) 去加工制造，形成所谓 的“无图样生产”。 c a d c a m 的优点是技术先进、降低了成本、提高了产品的竞争力。目 前在印制电路板和集成电路设计制造中已取得明显的经济效益。 随着电机c a d 技术的发展和日趋完善，以及电机c a d 系统的普及和应用， 可以预料，计算机辅助设计系统必将成为电机设计工作中不可缺少的手段，计 算机辅助设计方法也将成为从事设计工作的工程技术人员必须掌握的基本技 能。对一位跨世纪的工程技术人员来说，尽早掌握c a d 技术是十分必要的。 第三节论文的研究内容及成果 1 3 1 课题背景 气象卫星的出现是本世纪科学技术发展中的一大重要事件。多年来，气象卫 星为人类提供了大量用常规观测手段所无法获得的宝贵信息，从根本上解决了 地球上广大海洋和陆地上高原与荒漠区域气象观测资料不足的难题，使人类对 地球及其大气的了解无论从深度还是从广度上都达到了前所未有的程度。 西北l 业人学硕士论文 第一章绪论 迄今为止，美国、苏联俄罗斯、日本、欧空局、中国、印度等国家和组织 共发射了1 0 0 多颗气象卫星。世界上第一颗气象卫星是美国的“泰罗斯”号。 中国极轨气象卫星“风云一号”( f y 1 ) ，于1 9 9 8 年和1 9 9 0 年各发射了1 颗， 这两颗是试验卫星。我国由此成为继美、苏俄之后第三个拥有极轨气象卫星的 国家。1 9 9 9 年5 月l o 日，又成功发射了“风云”系列的第三颗卫星即f y 1 c ， 是我国第一颗业务应用卫星。 1 9 9 7 年6 月l o 日晚，我国自行研制的第一代地球静止轨道气象卫星一风 云二号由长征三号运载火箭送入太空。至6 月1 7 日上午l o 时2 0 分，卫星在地 面测控系统的精确控制下，成功定点于东经1 0 5 度的赤道上空静地轨道位置。 静止气象卫星的最大特点是可以对观测区实现多时次的频繁观测，特别有 利于检测生命史较短的强对流灾害性天气系统的发生和发展。例如我国的气象 工作者利用日本g m s 卫星的资料检测台风等灾害性天气过程，已取得了显著 成绩，静止气象卫星云图己成为天气分析和预报不可缺少的基本资料。 卫星的成功发射与严格的地面测试是分不开的，风云二号是自旋稳定气象 卫星，为了事先检测卫星升空后的实际成像性能，需要在地面进行成像试验。 本课题来源于“西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所”与上海航 天局第5 0 9 研究所的合作项目，为卫星成像系统地面测试设备开发一套速度高 精度运动控制系统。 1 3 2 课题研究内容及特点 一、技术指标 图1 1 是风云二号卫星成像系统地面测试设备。本课题所研究的“低稳速、 高精度交流伺服系统”( 即高稳、低速电机及控制器) 是该测试设备的一个组 成部分，控制器用于精确控制电机的转速，电机用来带动反光镜转动，使精太 阳光源按设计需要扫描到卫星的相应设备。 本系统具体性能指标要求如下： 外形尺寸和重量：外形尺寸尽量小，重量尽量轻； 电源电压： 1 8 0 va c 2 4 0 va c ； 电源频率：4 7 h z 6 3h z ； 连接方式：单相三芯； 系统转速： 9 7 1 0 1r m i n ，可调( 调整间隔为i ) ， 转速周期稳定度 开机时初始设置为9 8r m i n 优于1 0 一s ： 6 鹾北 业大学硕士论文 第一章绪论 图l - 1风云二号卫星成像系统地面测试设备 转速周期准确度 输出转矩： 开关控制： 监视信号 检测信号： 高低电平： 脉冲宽度： 输出阻抗： 前后沿； 插头座形式 过载保护： 优于1 0 一s ； 不低于5 0 0g - c m ： 电源开关，电机启动、制动控制开关， 转速调整控制开关： 电源开关显示，转速实时显示 ( 每次开机为9 8r m i n ，电机启动前调整转速) 每转速周期输出一检测信号， 信号形势为正脉冲： 标准t t l 电平： 2 0 2 m s 5 0 n 2 0 n s b n c ，电机与控制器之间采用电源加接插件连接； 电机有过载保护功能； 两北i ：业大学硕士论文 第一章绪论 电机工作方式： 电机安装形式： 系统环境要求： 断续工作，开机后连续运行不超过10 h 立式： 正常工作温度范围：o 3 5 。c ； 存储工作温度范围：l o 。c 4 5 。c ； 湿度范围：2 0 8 0 。 二、主要内容及特点 从系统的指标要求可以看出有两个关键的性能指标，即转速的周期稳定度 和周期准确度。转速的周期稳定度要优于1 0 s ，即系统稳定运行中相邻两周的 时间差要小于1 0 。s ；周期准确度要优于1 0 。s ，即系统稳定运行周期与设定值 之间误差要小于1 0 s ；系统一个运行周期为3 0m i n ( 其中稳定运行时间按2 5 m i n 计) ，时间误差要求小于1 0 ，相当于一个机械伺服系统运行5 年零8 个月， 才误差一秒。这是整个伺服系统中最关键的性能指标，也是一个技术难题。整 个交流伺服系统，从硬件到软件的设计，都应围绕这个目标进行。 整个伺服系统的完成需要以下几部分的工作：伺服电机的研制；控制电路 的设计和调试：控制软件的编写和调试；系统软硬件综合调试。图l 一2 是一个 简单的系统结构图。 给 图1 - 2 系统构成 通过对步进电机和交流伺服电机控制性能的比较，作者认为交流伺服电机， 即正弦波驱动的稀士永磁同步电动机，更适合本系统的需要，能够更好的达到 系统的指标要求。确定了电机的类型，接着就要进行电机的设计，鉴于电机的 电磁设计的复杂性，其中所需计算又十分繁杂，在老师的指导下，作者和几位 同学合作开发了一套电机c a d 系统。 系统采用图形化的主设计界面，使数据的输入、输出均与图形相结合：系 统还设有图形辅助、设计结果的报表输出及联机帮助等功能。使用电机c a d 系统，设计人员只需轻点鼠标、借助键盘输入数据，即可完成电机本体电磁设 计的绝大部分工作。设计方案的调整过程更是轻松易行，设计人员可以在设计 西北l ：业人学硕士论文第一章绪论 主界面直接修改电机的参数，c a d 软件自动完成相关的计算任务，可大大减轻 设计人员的劳动强度，提高设计效率。 在软件编写过程中，作者主要负责以下工作：由电机结构参数计算并绘制 电机结构图( 包括槽形图、定子截面图、转子截面图、电机截面图) ；绘制电机 工作特性图；绘制永磁体工作特性图；将设计结果制作成报表( 具有预览、打 印等功能，且要显示或打印的参数可由用户自由选择) ；实现材料库的查询与维 护；软件的加密、打包及发布。 在2 0 0 2 年7 月召开的全国永磁无刷直流电机技术交流报告会上，作者做了 题为稀土永磁无刷直流电动机c a d 系统的报告，受到与会代表的密切关 注，该文也同时在交流报告会的论文集中发表。 该软件既可用于设计方波驱动的永磁同步电机( 即稀土永磁无刷直流电动 机) ，也可用于设计正弦波驱动的永磁同步电机。但用来设计正弦波驱动的永磁 同步电机时，存在一些问题，需继续完善。由于课题时间有限，电机的设计无 法完全由c a d 软件完成，只好借助一些已有的设计经验及结果，结合手工计 算来完成。 作者完成了伺服系统主要控制电路的设计、制图及调试，编写了部分控制 软件，并参与了整个系统的软硬件联调工作。系统采用专用d s p 芯片作为控制 核心，完成主要控制功能；嵌入式计算机作为上位机完成控制信号给定、报警、 状态显示等功能。结合实际工作，撰写了题为速度高精度运动控制系统研究 的论文，于2 0 0 2 年1 1 月在“2 0 0 2 陕西省电子学会应用磁学专业委员会第七次 学术年会”上发表，并被评为优秀论文。 图1 3 是为5 0 9 所研制开发的“精太阳光源指向跟踪系统”，各项指标基本 达到合同要求。在论文结束之际，伺服系统将由导师和研究所其它老师交付甲 方，进行验收工作。 图1 3 精太阳光源指向跟踪系统 9 西北_ i ：业大学硕士论文 第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 执行机构在伺服系统中有着举足轻重的地位，电动机的运行特性良好，才 有可能达到系统要求的高速度精度。永磁交流同步伺服电动机优良的运行特性 使得它在目前的伺服系统中越来越多的被采用。本章主要介绍了永磁交流同步 伺服电动机的结构特点、数学模型，并介绍了永磁交流同步伺服电动机c a d 系统。 第一节永磁式同步电动机的结构 永磁式同步电动机伺服系统常用于快速、准确、精密的位置、速度控制场 合，如航空、航天领域，这就要求执行电动机过载能力强，转动惯量小，转矩 脉动小，具有线性的转矩一电流特性：整个伺服系统的通频带和放大系数要尽 可能大，以便得到良好的动态、静态性能。永磁式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优点，由它组 成的伺服系统已受到国内外的普遍重视，广泛应用于柔性制造系统、机器人、 办公自动化、数控机床等领域，并开始应用于航空、航天领域。 2 1 1 永磁同步电动机的总体结构 永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动 机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成 实心的，也可以用叠片叠压而成。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采 用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，方波永磁同步电动机通常采用集 中整距绕组，而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短距绕组在一些正弦波电 流控制永磁同步电动机中，为了减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近 正弦分布以提高电动机的有关性能，采用了一些非常规绕组，如采用正弦绕组， 可大大减小电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗， 定子绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非常关键的尺 寸，尽管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是 它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此外， 气隙长度的大小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。 转子磁路结构是永磁同步电动机的核心和关键，也是永磁同步电动机与其 他电机的主要区别，下面对其进行分析和讨论。 0 两北l ：业人学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 2 1 2永磁同步电动机转子磁路结构 转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场 合也不同。永磁同步电动机的转子结构一般要求转子冲片具有整体性、简单性， 并能充分提高永磁体的利用率。 图2 1瓦片永磁体径向结构 图2 - 2 小条永磁体拼成的径向结构 图2 - 1 是常见的2 极瓦片径向结构( 图中1 为永磁体，2 为鼠笼条，3 为转 轴，4 为铁心，5 为非磁性材料，6 为隔磁槽，7 为紧圈，以下各图同) 。一般在 转子外表面套个3 0 g r m n s i 等高强度不导磁紧圈7 ，保证电机高速运转。极间 隔成材料5 可采用铝、铜、热固性环氧胶等。该结构特点是：交、直轴磁路基 本对称，接近于隐极电机；永磁体漏磁小，气隙磁场的矩形度好，当计算极弧 系数口，= 0 5 8 时，其气隙磁势的幅值接近于基波幅值。，即如m 目。，随 着极弧系数口的增加，漏磁系数减小，电枢反应折合系数足。，k 。增加。如 果极间隔磁材料5 换成导磁体，则该结构为典型凸极结构。交轴方向磁阻减小， 电枢反应主要为交轴电枢反应，凸极效应使电机的过载能力提高。有研究表明， 当稀土永磁同步电动机单向旋转时，极靴前沿采用导磁材料，后沿采用不导磁 材料可以节省永磁体用量。这种结构的缺点是鼠笼条放置在永磁体内侧，效果 较弱，仅适宜于对起动性能要求不高或变频起动的场合。 由于稀土永磁同步电动机材料一般都具有方向性，当瓦片永磁体弧度较大 时，加工难度大，材料利用率降低，为此可采用多片永磁体“拼凑”的方式。 图2 2 是德国某产品中用小条状永磁体“拼成”的2 极结构，该结构漏磁增大， 但材料利用率较高。 图2 3 为整体冲片内嵌式瓦片永磁体2 极结构。图2 - 4 为非整体冲片内嵌 西北工业犬学硕士论文 第二章永磁交流同步伺服电动机：i ：作原理 式瓦片永磁体2 极结构。这两种结构较图2 - 1 、图2 2 鼠笼条作用显著，但永磁 体的放置量受到制约。 图2 - 3 整体冲片内嵌式图2 - 4 非整体冲片内嵌式 瓦片永磁体2 极结构 瓦片永磁体2 极结构 图2 - 5 是稀士永磁电机及控制技术研究所在某产品中采用的转子结构形 式，转予冲片具有整体性。磁场分析表明，在采用磁能积较高的n d f e b 永磁体 时，该结构可以满足稀土永磁同步电动机的激磁需求。交轴方向还可以开隔磁 槽以减小x 。j 已值，便于起动。 图2 5 平板永磁体2 级结构 对于齿槽效应带来的不规则转矩和转矩脉动，一般可以通过在定子上开斜 槽( 通常是斜一个齿距) 来改善。稀土永磁材料还有一个很好的特点，它的磁 导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机交轴和直轴的磁路磁阻均较大， 因而可以大大减少电枢反应。通常在额定负载以内。气隙磁场与电枢电流无关， 使得转矩一电流呈线性关系。 永磁式同步电动机大致可以分为两类：抛物线形的转子磁钢在气隙中产生 的磁通密度近似成正弦形分布，电动机的反电动势也近似为正弦波，这时定子 西北工业大学硕士论文 第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度的消除谐波磁动势；而转子磁钢为 弧形( 瓦形) 时，磁极下定转子气隙均匀，气隙中的磁通密度成梯形分布，这 时定子电枢绕组多采用整距集中式绕组。 为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统， - j 惯上把永磁同步 电动机分为两类：其中反电动势波形和供电电流波形都是梯形波的电动机，称 为“方波永磁同步电动机”，这种电机在原理和控制方式上基本与直流电动机类 似，故通常又称为“无刷直流电动机”( b l d c m ) ；反电动势波形和供电电流 波形都是正弦波的电动机称为“正弦波永磁同步电动机”( p m s m ) ，有时也简 称“永磁同步电动机”。 第二节永磁交流同步伺服电动机的数学模型 2 2 1 矢量在坐标系之间的变换 矢量控制需要使用精确的电机数学模型，而在模型的推导中经常要用到矢 量在不同坐标系之间的变换。 电动机的变量( 电压、电流、电动势、磁链等) 均可用空间矢量来描述，并 常在几种坐标系中进行变换和计算。 坐标系，需遵循下列规律： 一、静止坐标系间的矢量变换 一个旋转矢量从三相定子坐标系 ( a 、b 、c 轴系) 变换到定子两相坐标 系( a 一轴系) ，又称为3 2 变换， 其反变换称之为2 3 变换。 一个空间矢量从一种坐标系变换到另一种 由图2 2 知，习惯上使a 轴和a 轴重合，空间矢量旷由三相定子坐标系 中的分量、k 合成，如果在两 相定子坐标系中的分量屹、圪，合成 后产生的矢量和y ，相等，那么，这种变 换是等效的。因此有 分离实虚部可得 卢 ，r刃二 c 图2 - 2 定子坐标系 圪+ ，= + a + 口2 圪 ( 2 一i ) 西北，：业大学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 如果三相绕组是y 形不带零线接法，即三相平衡，则有 一十+ = 0 即 = 一乃一 将上式带入( 2 - 2 ) 整理得 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 写成矩阵形式有 舱陪狮 沼。， 同理，由式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 3 ) 可推导出逆变关系为 写成矩阵形式为 9 圪2 雪圪 ( 2 5 ) ol 列纠 协s ， , 3 i 一_ j 三相到两相变换中的系数3 2 及两相到三相逆变换中的系数2 3 ，是由 于在变换过程中保持了旋转矢量幅值不变的结果。 3 2 变换和2 3 变换可根据控制系统的需要，由模拟电路或软件实现。但 它们在原理图中常用图2 3 所示的图形符号表示。 1 4 专参 一 一2 讣萼 吃 1儿 三压 + 3 2 仁陆 3 2 = 、 压丁矗丁 + 一 吃 圪 一2 1 2 一 一 ，、 2 3 2 3 l | j l 。：。： 2 3 一一 1，j 吃 西北l 业人学硕士论文 第二章永磁交流同步伺服电动机1 ：作原理 呢 图2 33 2 和2 3 变换的图形符号 二、矢量回转器( v d ) 矢量回转是矢量从一个直角 坐标系到另一个直角坐标系的变 换，这两个坐标系可以是旋转的， 也可以是相对静止的，如图2 4 所示。 设任矢量v 存在于两个直 角坐标系d g 和m r 中，矢 量在d g 坐标系中的分量分别 为、屹，在m r 坐标系中的 巍厂肘 1 n 图2 4 旋转矢量变换图 分量分别为、巧，两个坐标系横轴夹角为伊。由该图可写出矢量回转关系 式 阱一ic o 唧s p 甜列 沼， 上式为矢量矿从c ，一g 坐标系变换到肘一r 坐标系的关系式。反之，其反 变换关系式为 笼 = 。c 。o n s 伊q ) 一e 虹o s n 。缈, j l v t c ：s ， 上两式可分别由四个乘法器和两个加法器组成，如图2 m 5 所示，变换器和 反变换器结构相同，只是输入输出不同而已。 西北j 【业人学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 v y r n u a )瞄旷警。m 尹 a ) 从d 日坐标系到m 一丁坐标系b ) 从m 一丁坐标系到d 一口坐标系 图2 5 矢量回转器电路 矢量回转器在矢量控制原理图中一般用图2 6 所示图形符号表示。 图2 6 矢量回转器( v d ) 的图形符号 三、矢量分析器( v a ) 矢量分析器又称直角坐标一极坐标变换，用于求解 一个矢量的模和相角，由于在实际电路中只用到相角的三角函数形式，因此， 只求出相角的正弦和余弦值即可。由图2 7 可知，在任一直角坐标系中，已知 屹、分别是矢量y 在x 、y 轴上的投影( 分量) 。v 为矢量的模，妒为矢量y 与 横轴x 轴的夹角。因此有 ( 2 9 ) 1 6 图2 7 直角坐标系的矢量图 一哆 一吩叱叱 一一 m 矿c s 西北l ：业大学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 别为 模拟系统中使用的一种矢量分析器电路如图2 8 所示。 。叫 bl r r l 甲 bl c1v c o s 2 尹 l 二二j 童 khy 匕=j v s i n 。q 一 图2 8 矢量分析器( v a ) 电路 电路由两个除法器、两个乘法器和个加法器组成，两个乘法器的输出分 以c o s 伊= v c o s 妒c o s q = v c o s 2p s i n 妒= y s i n 9 s i n 妒= v s i n 2 妒 ( 2 1 0 ) 矢量分析器在实际系统中，常用图2 9 所示图形符号表示。 也 v ， 图2 9 矢量分析器( v a ) 的图形符号 2 2 2 正弦波永磁同步电动机的数学模型 正弦波永磁同步电动机的反电动势为正弦波，其定子电压、电流也为正弦 波。这里，假定电动机是线性的，参数不随温度等变化，转子无阻尼绕组，并 且忽略磁滞、涡流损耗，那么基于转子坐标系( d - _ q 轴系) 中的正弦波永磁同步 电动机定子磁链方程为： 两北【业大学硕十论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 峨= l a i a + 甲5 k = l 。o i ； ( 2 1 1 ) 式中： 、壬，5 一转子磁钢在定子上的耦合磁链； l 、三。一永磁同步电动机的直、交轴主电感； “i ：一定子电流矢量的直、交轴分量。 定子电压方程为： t l ：= r s + p 早；一。髓： u ：= r s ；+ p 心；+ 耐警： ( 2 1 2 ) 式中 “；、u ：一定子电压“。矢量的d 、q 轴分量； 一转子角频率。 转矩方程为： 乃= 一p ，i m ( r 甲5 ) = 巴l 【( 茁一，e ) ( q 公+ ，巧) 】 = p ，( 峨+ y 弼) ( 2 - 1 3 ) 把式( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) 有 “；= 呓+ 上d p 艺一础口e “；= 艺+ l q p i ：+ 础d 瑶+ c o w 5 ( 2 - 1 4 ) 把式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 3 ) ，整理得 乃= p 。( 公f ；一公e ) = 以p5 + ( l d l q ) i a i q j ( 2 1 5 ) 从以上分析可以看出，正弦波永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定 子交轴电流分量和直轴电流分量，在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不 变，故均采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。 在基速以下恒转矩运行区中，采用转子磁链定向的正弦波永磁同步电动机 的矢量图如图2 1 0 所示，定子电流矢量位于q 轴，无d 轴分量( e = 0 ) 。即定 子电流全部用来产生转矩，此时正弦波永磁同步电动机的电压方程可写为： “：= - w l q i “：= r i 5 + l q p i 5 + 洲5 ( 2 1 6 ) 西北r 业大学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 电磁转矩方程为 t d = p 一3 r 窖 j i ：一p 穸 杖。：盈 ( 2 1 7 ) 图2 1 0 正弦波永磁同步电动机矢量图 这种控制方式最为简单，只要能准确地检测出转子的空间位置( d 轴) ，通过 控制逆变器使三相定子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上，那么，永磁同步电动 机的电磁转矩只与定于电流的幅值f 5 成正比，即控制定子电流的幅值，就能很 好地控制电磁转矩，这和永磁直流电功机的原理类似。 在基速以上，永磁同步电动机也可以运行在恒功率区，采用定子弱磁的方 法。其矢量图如图2 1 1 所示，e 和甲方向相反。起去磁作用。由于转子采用 稀土永磁，定转子有效空隙大，因而这种“利用电枢反应进行弱磁”的方法就 要求更大的定子直轴电流分量，因此它比具有直流励磁绕组的同步电动机可能 产生的弱磁效果要差得多，只可应用于短时运行。 g i 。 f 1 l f i l i i l 9 r i j 二。口 图2 - l l 正弦波永磁同步电动机矢量图( e 0 ) 2 2 3 方波永磁同步电动机的数学模型 方波永磁同步电动机由定子三相绕组、永磁转子、逆变器、转子磁极位置 检测器等组成，其转子采用瓦形磁钢，进行特殊的磁路设计，可获得梯形波的 西北r 业人学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 e ； = 言吾量 堇 + 基笔 p + 圣 c z - s ， _ 日， c ，l 目，w ，d ，l 一三相定子间互感。 bjk 窖。f 。 赢。3 舻、 弋型 矗 图2 1 2方波永磁同步电动机波形图 由电动机结构决定，在一个3 6 0 。电角度内( 机械上为一对磁极距) ，转子的 磁阻不随转子位置变化而变化，并假定三相对称，则有 l 月= l 日= l c = l l 日= 三m = l _ c = l c a = l b c = 2 m 式中m 方波永磁同步电动机定子绕组间互感。 2 0 西北i ：业大学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机工作原理 堇 = 言丢量 睦 + f 壹兰薹 p 医 + 圣 c z - ， 又因为三相对称电动机中存在i + + f c = 0 ，因而有m m + m “= 一m 。，故 塞 = j | 昙主 医 + 三 m 三 m 工呈m p 1 + 圣 c z z 。， 乃= 鼍薷僦需芋= 丛型 沼：- ， “ 转子的机械角速度q “ 电流的幅值即可控制方波型永磁同步电动机的转矩。当送入1 2 0 。电角度的三相 方波电流并使之与每相感应电动势同相( 与转子磁动势相差9 0 。) 时，方波永磁 两北r 业大学硕士论文第二章永磁交流同步伺服电动机_ 作原理 第三节永磁同步电机设计及c a d 系统 由于近几年来，永磁同步电机才开始应用于高精度伺服系统，相应的电机 设计及c a d 技术还不成熟，有待进一步提高和完善。鉴于此，作者和几位同 学合作研制开发了一套电机c a d 系统。 由于系统的功能需求在一定程度上决定着方案设计，方案设计要服务于功 能的实现，这里先介绍稀土永磁同步电机c a d 系统的主要功能。 2 3 1c a d 系统功能概述 一、图形化的主设计界面 主设计窗口是设计者进行电机设计的主要界面之一，整个电机设计过程都 在该界面上进行，该部分包括稀土永磁无刷有槽和无槽直流电机设计两大模块， 每种电机都有两种设计方式( 按方波设计、按正弦波设计) ，两种转子结构( 瓦 片磁钢结构、环形磁钢结构) ，两种绕组形式选择( 星形三相六状态、星形三相 三状态) ，可以进行大部分中小型永磁同步电机的电磁设计。在软件设计过程中， 充分利用了可视化编程语言的优点，力求使界面简洁明了，数据输入输出直观 方便。具体有以下几个特点： 1 与图形相结合的数据输入 电机槽形数据和转子结构数据( 如图2 1 3 、2 - 1 4 ) 采用与图形相结合的输 入方式，用户可以根据图形直观输入数据，在输入数据后，图形辅助窗口的图 形会与数据同步改变，有利于即时把握设计电机的总体结构。 图2 1 3 转子结构 图2 1 4 电机截面图 西北r 业人学硕十论文 ! g - - 章永磁交流同步伺服电动机工作原理 2 数据输出与输入同步显示 软件采用消息机制，在用户每输入一个数据之后，就会发消息刷新与之相 关的数据变量，使设计结果输出与参数输入同步显示，以增加软件的实时交互 性。 3 三套单位制供选择 为满足设计者不同的使用习惯，软件支持三套单位( 国际制、厘米制、毫 米制) ，设计者可以在设计过程中自由选择熟悉的单位。 4 迅速、准确的完成电机本体的电磁计算 电机设计人员在设计过程中，只需轻点鼠标、借助键盘输入数据，即可完 成电机本体电磁设计的绝