永磁同步电机的原理和结构

1、第一章永磁同步电机的原理及结构永磁同步电机的基本工作原理永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相 电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场， 由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁 极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带 动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋 转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成 是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究 阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主 要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 由转子磁路不对称而引 起的磁阻转矩和单轴转 矩等一系列的

2、因素共同作用 下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动 过程中，只有异步转矩是驱动性 质的转矩，电动机就是以这转矩来得以加 速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由 零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影 响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速 的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩 的作用下而被牵入同步。永磁同步电机的结构永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通 的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特 的结构与其它电机形成了差别。和常

3、用的异步电机的最大不同 则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。 由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电 机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图所 示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因 素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、 插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。a）面鮎式b）插入式c）内嵌式图1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的，其最主 要的原因是其拥有很多其他形式电机无法比拟的优点，例如其 制造方便，转动惯性比较小以及结构很简单等。并且这种类型 的永磁同步电机更加容易被设计师来进行对其的优

4、化设计，其 中最主要的方法是 把气隙磁链的分布结构设计成近似正弦的分布，将其分 布结构改成正弦分布后能够带来很多的优势，例如 能减小磁场的谐波以及 它所带来的负面效应，应用以上的方法能够很好的 改善电机的运行性能。插入式结构的电机之所以能够跟面贴式 的电机相比较有很大的改善是因为它充分的利用了它设计出的 磁链的结构有着不对称性所生成的独特的磁阻转矩能大大的提 高了电机的功率密度，并且在也能很方便的制造出来，所以永 磁同步电机的这种结构被比较多的应用于在传动系统中，但是 其缺点也是很突出的，例如制作成本和漏磁系数与面贴式的相 比较都要大的多。 嵌入式的永磁同步电机中的永磁体是被安置在 转子的内部

5、，相比较而言其结构虽然比较复杂，但却有几个很 明显的优点是毋庸置疑的，因为有高气隙的磁通密度，所以很明显的它跟面贴式的电机相比较就会产生很大的转矩；因为在转子永 磁体的安装方式是选择嵌入式的，所以永磁体在被去磁后所带 来的一系列的危险的可能性就会很小，因此电机能够在更高的 旋转速度下运行但是并不需要考虑转子中永磁体是否会因为离 心力过大而被破坏。为了体现永磁同步电机的优越性能，与传统异步电机来进 行比较，永磁同步电机特别是最常用的稀土式的永磁同步电机 具有结构简单，运行可靠性很高；体积非常的小，质量特别的 轻；损耗也相对较少，效率也比较高；电机的形状以及大小可 以灵活多样的变化等比较明显的优点

6、。正是因为其拥有这么多 的优势所以其应用范围非常的广泛，几乎遍及航空航天、国防、 工农业的生产和日常生活等的各个领域。永磁同步电动机与感 应电动机相比，可以考虑不输入无功励磁电流，因此可以非常 明显的提高其功率因素，进而减少了定子上的电流以及定子上 电阻的损耗，而且在稳定运行的时候没有转子电阻上的损耗， 进而可以因总损耗的降低而减小风扇（小容量的电机甚至可以 不用风扇）以及相应的风磨损耗，从而与同规格的感应电动机 相比较其效率可以提高 2-8个百分点。永磁同步电机的数学特性先对永磁同步电机的转速进行研究，在分析定子和转子的磁动势间的转速关系时，假定转子的转速为n r / min,所以转子的磁动

7、势pn相应的转速也为 n r/min，所以定子的电流相应的频率是f=,60 因为定子旋转的磁动势的旋转速度是由定子上的电流产生的， 所以应为np 60ni60 f 60 pnP可以看出转子的旋转速度是与定子的磁动势的转速相等的。对于永磁同步电机的电压特性研究，可以利用电动机的惯例来直接写出它的电动势平衡方程式U E° jldXd jlqXq()对于永磁同步电机的功率而言，同样根据发电机的惯例 能够得到永磁同步电机的电磁功率为PMmUEosinXdU2m2XqXdsin2（）对于永磁同步电机的转矩而言，在恒定的转速i下，转矩和功率是成正比的，所以可以得到以下公式FM mUE sini1

8、冷mU211 csin22 1 Xq Xd()第二章 永磁同步电机物理模型开环仿真永磁同步电机模块及仿真下面对永磁同步电机物理模型的开环进行仿真，在仿真之 前先介绍各个单元模块，以便于对模型进行更好的仿真。 2.1.1 物理单元模块逆变器单元，逆变是和整流相对应的，它的主要功能是把直 流电转变成交流电。逆变可以被分为两类，包括有源逆变以及 无源逆变。其中有源逆变的定义为当交流侧连接电网时，称之 为有源逆变；当负载直接与交流侧相连时，称之为无源逆变。以图 2-1 的单相桥式逆变电路的例子来说明逆变器的工作原理。S1ioUdS2负载UoS3S4图2-1逆变电路图2-1中S1-S4为桥式电路的4个臂

9、，它们是 由电力电子器件及其 辅助电路组成的。当开关 S1、S4闭合，S2、S3 断开时，负载电压 Uo为正；当S1、S4断开，S2、S3闭合时，Uo 为负，其波形如图2-2所示。Uo 图2-2逆变电路波形通过这个方法，就可以把直流电转变成交流电，只要改变 两组开关相应的切换频率，就可以改变交流电的输出频率。这 就是逆变器的工作原理。当负载是电阻时，负载电流 i 0和电压 u 0的波形是相同的， 相位也相同。当负载是阻感时， i 0的基波相位滞后于 u 0的基波， 两者波形的形状也不同， 图 2-2给出的是阻感负载时的 i 0的波形。 设ti时刻断开S1、S4,同时合上S2、S3,则Uo的极性

10、立刻变为 负的。但是，正是因为负载中存在着电感，其中的电流极性仍 将维持原来的方向而不能立刻改变。这时负载电流会从直流电 源负极而流出，经过 S2、负载和S3再流回正极，负载电感中储 存的能量会向直流电源发出反馈信号，负载电流要逐渐减小， 到t2时刻降到零，之后io才开始并反向增大。S2、S3断开，S1、 S4闭合时的情况类似。上面是 S1-S4均为理想开关时的分析， 实际电路的工作过程要比这更复杂一些。逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以被分为两种：直 流侧为电压源的称为电压型逆变电路；直流侧为电流源的称为 电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路和电流源 逆变电路。三相电压型逆变电路

11、是由三个单相逆变电路而组成的。在 三相逆变电路中三相桥式逆变电路应用的最为广泛。 如图 2-3 所 示的三相电压型桥式逆变电路是采用IGBT作为开关器件的，因此可以很明显的看出它是由三个半桥逆变电路组成的。V1JV3JV5J2UdUdV4VD1VD5NWVD2VD6VD3VD4图2-3三相电压型桥式逆变电路如图2-3所示的电路的直流侧一般只用一个电容器就可以了，但是为了方便分析，画出了串联的两个电容器并且标出假想的中点N，。单相半桥和全桥逆变电路是具有很多相似点的，三相电压型桥式逆变 电路也是以180度的导电方式作为其基本的工作方式，同一半桥上下 两个臂交替着导电，每相之间开始导电的角度以12

12、0度相错开。这样在任何时候，将会有三个桥臂同时导通。 也可能是上面一个下面两个， 也可能是上面两个下面一个同时导通。它之所以被称为纵向换流是因 为每次换流都是在同一相上的两个桥臂之间互换进行。逆变器的参数设置如图2-4所示貝 Bloclc Parameters: Universal BridgeUnivsisa- Eridselink）This block izifslenent t brLdtf of selected power electron:cs devices. Seriese clubber c lr suits ar & t&nnesti in pajrall&

13、#171;l rl th a.;h ewlt :hv5 : =. PjasE 比电【£> forsnjtberThn the 二nd卡 1 -z discz-etizd. Fez sztl-chj thsinternal inductance Lon of dio-dss and thrristoTS shoxild be &to- esto5nubb«x resistance 氏耳（Ctw&）六路脉冲触发器模块，如图2-5所示Poer Electronic d*vict MDSFET / Diod»stMDSFET / DisdtE艮 hn

14、 '3S> - 4Apply更T图2-4逆变器模块参数设置Synchronized5-Puhe Generatorpulses1alpha_d«gABBCCABlock图2-5六路脉冲触发器模块同步六路脉冲发生器模块可用于很多领域。六路脉冲触发器的主要部分是六个晶闸管。该模块的输出是一个六脉冲单独同步的六晶闸管电压 矢量。下面的图表显示了一个0度的a角的六路脉冲。如图 2-6所示图2-6六路脉冲触发器输出的脉冲aipha_deg输入一个 发射信号，以度的形式。该输入可以连接到一个恒 定的模块或者它可以连接到控制系统来控制发电机的脉冲AB、BC、CA为输入的ABC三相的线

15、电压Freq频率的输入端口，这种输入应该连接到包含在赫兹的基本频率， 恒定的模块。Block六路脉冲触发器的参数设置如图2-7所示列 Function Block Parameters; Synchronized 6-Pulse GeneratorSnclironized c-palse genGratcr :空丈盂k .link.Use this block, to fire ths S thrxiat-oxa of a 6-pulse converter. 7he utput i e a. vez t d-t dJ c pu 1 =&=I? intiIvidually svnchi

16、oniz«ii onttiE 6 concmt已Itages. Pulses are gsrrsted aLpha decrees after th= inDiEaairiE 2eic-cideainEa of the cz-zctaticn valta££.Parabater eFr*iu*n;r cf sm；H.*；fLisatLcn rclTasa :：_ «tf -_.*anc巳丄h已丄pAe-pm图2-7六路脉冲触发器参数设置2.1.2永磁同步电机模型仿真结果0:吃 Irf¥本文在基于 Matlab下建立了永磁同步电机的开环电机模型

17、的仿真。PMSM的参数设定为：电机的额定电压为220V，额定电流为3A，额定机械转速为3000 rpm,极对数为2,电磁输出功率为 900W,定子阻抗为Q,直轴感抗为，交轴感抗为，漏磁通 兀为，转 动惯量J为,粘滞摩擦系数B为0。得到的仿真结果图如图 2-9所示400图2-9电机转速曲线lBiT5 0lr$el |j从图中的曲线可以看出，电机转速给定值为3000N ( pm)，从电机起动开始，速度逐渐上升，达到给定值需要的时间比较长，换句话 说就是电机的响应时间较长，而且在达到稳定值附近时的转速波动也 比较大，可能是因为永磁同步电机的内部结构很复杂，也可能是跟电 机没有任何控制有关，希望在搭建

18、了速度转矩双闭环控制后的转速的 响应时间能缩短，达到给定值附近时的上下波动能减小转矩的结果如图2-10所示0data'0-J_ _Jll机亠>L.41. k -1l,-川-1 -11 F/ !叶)0-vElectromag netic torque Te (N*m)>-11.522.533.544.510.5图2-10永磁同步电机转矩曲线从图中可以看出，在永磁同步电机起动后转矩的值在零的 附近波动，波动范围还是比较大，产生波动的主要原因还是电 机复杂的内部结构，以及在没有任何控制的情况下才出现的， 希望在搭建成速度转矩双闭环控制下可以使其波动的范围减 小，无限的接近于零。电

19、流的仿真结果如图 2-11所示vStator current is_a (A)>图2-11永磁同步电机电流曲线对于永磁同步电机开环物理模型仿真的电流，电流在电机开始运行时电流会在短时间内上升并振荡，但很快就接近与零 值并且在零值附近波动。第三章永磁同步电机双闭环仿真永磁同步电机双闭环仿真模型在MATLAB下的SIMULINK环境中，利用其中的各种模块， 建立了永磁同步电机双闭环控制系统仿真模型。该系统是由PI控制器构成的速度环和滞环电流控制器建立的电流环共同控制 的双闭环控制系统。通过给定转速与实际转速的比较产生的误 差，将产生的误差信号送入 PI控制器，再由PI控制器送达转速 控制模块

20、。并通过坐标变换产生的参考电流，与PMSM输出的实际电流相比较，再通过桥路逆变器产生输入PMSM的三相电压，经过坐标变换后直接输入到PMSM本体控制其运行。最终达到在利用双闭环控制系统的控制下能够实现实际转速与期望 转速相一致的目的。根据模块化的思想， 我们可以将系统的整体结构划分为以 下 几 个 主 要 部 分：PMSM电机本体模块，转速控制模块，转矩控制模块，坐标变换模块，电流控制模块， 电压逆变模块O3.1.1 PMSM本体模块在整个仿真过程中，电机本体模块是其中最重要的模块之 一。根据公式可得到永磁同步电机的机械转速以及电子转速公 式：dtTe Tl（p为极对数）则可以建立如下的电机本

21、体模块，如图3-2所示:out 7图3-1 PMSM电机本体模块3.1.2转速控制模块转速控制模块是由比例积分控制器根据比例积分控制原 理建立的，如图3-3所示的比例积分PI控制模块。在本体模块中取的比例积分为，积分增益为，定子电流输出的限幅为-5,5。WTiLimitedI Migrator图3-2 PI控制模块3.1.3转矩控制模块本次仿真是以常量转矩控制为转速控制的方式，即当实际转速小于额定的转速时，取交轴期望电流iq与提供的定子电流Is相等，而直轴的期望电流id大小为0，角 =90。贝V3 PTefiq2 2 q由此可以看出转矩与电机交轴电流之间存在一定的线性关 系。在仿真过程中是由程

22、序实现的，转矩控制模块也是根据以 上的原理建立的。3.1.4坐标变换模块在仿真中，主要有4个坐标变换的模块：两相旋转坐标系 向两相静止坐标系变换（d q到 一）两相静止的坐标系 向三相坐标是变换（- 到abc）,以及三相坐标系向两相静止坐标系变换（abc到 -）两相静止坐标系向两相旋转坐 标变换（- 到d q）,同类变换的电压 和电流变换式相同。相应的坐标变换公式如下所示：两相旋转坐标系向静止坐标系变换：iid cos iq sini id siniqCos()两相静止坐标系向三相坐标系变换:ia io i io 2ic io 2 i x 3i()相应的反变换为:2 . 1 .i3 ia 2

23、ib ic()id i cos i sini q i sin i cos()根据坐标变化公式可以建立如图3-3、图3-4、2图3-5、图3-6的坐标变换模块。i3in 31in 1Product 32in 2图3-3 d q到坐标变换out_11in_12in_2Gai nGain 1Sum 2 2out_2 3out_3图34 aB到abc坐标变换Sum 2Sum1out 1Gai nGain 1图3 5 abc到a B坐标变换3in 31in 121Product 3B到d q坐标变换3.1.5电流控制模块对于电流控制方式而言，米用的是滞环控制。首先确定一一 个期望值，根据滞环的带快要在期

24、望值的两侧来确定一个范围， 当实际输出电流达到滞环宽度以上的时候，就会输出高值信号， 从而达到对输出电流调节的目的。滞环控制器的模块是根据滞环控制原理搭建的，如图3-7所示。在图3-7中首先将实际电流与期望电流进行比较后产生误 差，再经过滞环控制器后产生三相电压信号。然后经过数据逻 辑非运算器器件和类型变换装置产生IGBT桥路6个IGBT管的门极脉冲信号。因同一相上的桥臂的管子触发脉冲是相反的，所 以只要在原来的三相脉冲信号上加上逻辑非即可构成相应的6路脉冲触发信号，控制各个IGBT管的导通以及关闭。在本次仿真中，滞环的宽度设为当期望电流与实际电流的 误差不小于滞环带的宽度时，滞环控制器即开通

25、，输出值为1,当误差小于滞环宽度的负值时，滞环控制器即关断，输出为图37滞环控制器结构3.1.6电压逆变器模块电压源逆变器如图 3-8所示，根据3.1.5小结小节中我们 研究的电流控制器，它能够产生出IGBT的门极信号，并且通过这个信号来控制每个IGBT管的导通以及关断。由直流电源产生 的三相电流与三相实际电流值同时作用在负载上，根据误差的 大小来产生输入到 PMSM的三相电压Vabc,通过这个产生出来 的三相电压来调节 PMSM的实际转速也能同时调节交直轴的电 流，最终达到实际值与期望值相等的目的。这个逆变桥的IGBT管是选用的IRGIB10B60KD1为了得到相对更好的电流波形，要 在IG

26、BT桥路三相电流输出端加上一个滤波器，右边的负载电阻 全取为1，直流电压为20V，左下角独立的部分是IGBT桥路中流经IGBT管的电流以及电压的测量装置，可通过它得到流经每 个IGBT管的电压和电流，要想得到IGBT管上的损耗功率只需将 同一个IGBT管的电压电流和电压相乘即可，要想得到在一段时 间内单个IGBT管上的消耗功率的总和，可以在功率输出端放上 一个积分器输出值即可得到。300图3 8电压逆变器结构仿真结果Con ti nu ousL.timepowerguiReferencespeed rad /sTo Workspace?ClockWrIq*IsId*YdControltoHys

27、teresis Current ControlI refgate signalSum 1ConstantIabcfa -betaisatourrent ControabcTo WorkspaceControl 1TortueabcSum 2Product 1PM-SMSwitch 1To Workspace2Lad TorqueSample and holdSampling blockto alfa -betaalfa -beta ->dq teta ,ialfa ,ibetaTe* alfaPI.1Constant 1Iabc outSwitchScope 2PM-SMProduct&

28、lt;q ->atetalfa -bi,id ,iqfa -betaabcdq -：teta ,id ,iq>alfa -beta aTo Workipace 1gate signalIabcVabcgate signalIscurrent control and inverterScope356-L1Sum 2ratedspeedmotor modelcos(i(1)k- speed- -K-To Workspace4Gain 3eaGain 1图3-9整体仿真框图本文基于MATLAB中的SIMULINK建立出了永磁同步电机 的双闭环控制系统的电机模型，这是一种新的电压变换结构及

29、 电流控制方法，以此方法为基础对此双闭环模型进行了实际的 仿真。PMSM的参数设定如下：电机的额定电压为220V，额定电流为3A，额定机械转速为 1700rpm，极对数为2，电磁输出 功率为900W，定子阻抗 ，直轴感抗为，交轴感抗。漏磁通 f 为，转动惯量J为0.00179kgm2,粘滞摩擦系数 B为0.本次仿真就是为了验证所设计的PMSM双闭环控制系统的仿真模型的静、动态性能是否得到改善，是否达到预想的结果 以及系统空载启动的性能是否良好它的优越性能否体现出来， 系统先是在空载情况下启动，在t=时突加负载2Nm，可以得到系统转速、转矩、直轴交轴电流以及A相电流的仿真曲线。给定参考转速为20

30、0rad/s，滞环宽度取为'O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91图3-10永磁同步电机双闭环控制转速V7-:图 永磁同步电机双闭环控制转矩2000150010005000-50300-200020.3-100-1500.40.50.60.70.80.91图 永磁同步电机双闭环iq电流曲线1图 永磁同步电机双闭环id电流曲线图永磁同步电机双闭环i电流曲线通过上面的仿真图可以很明显的看出：在给定的参考转速不 变的情况下，系统从接收到信号到能够响应需要的时间很短并 且上下的波动不是很大总体来看还是很平稳的，在起动阶段系 统是保持转速恒定的，并且在空载稳定速度下运行时，不

31、考虑 系统的摩擦转矩，因此此时的电磁转矩的平均值为零，交轴和 直轴电流以及相电流的平均值也接近为零。在突然加上负载后， 转速发生了突然的下降，但是又能比较快的恢复到稳定的状态， 稳态运行时转速没有静差，但突然加上负载后，电磁转矩就会 略有增大，这是由于开关的频繁切换所造成的。稳态时，电磁 转矩等于负载转矩，直轴电流的平均值为零，交轴电流均值增 大，相电流为正弦波形，这很符合永磁同步电机的特性。仿真 结果表明电机的动静态性能比较好，得到仿真之前预期的目的， 说明建模仿真的方法是比较理想的，是正确的。第四章 永磁同步电机开环和双闭环仿真比较通过第二章的研究和分析，可以看出永磁同步电机在开环的 运行

32、形式下，得到的转矩、电流、转速的波形跟我们想要的效 果有很大的差距，其中会出现从起动开始，达到稳定的时间比 较长，而且到达稳定时的效果也比较差，波形很明显。这主要 是由于开环运行的条件下系统普遍存在的问题较多（ 1 ）在开环系统中，各种参数间相互之间影响并且互相制 约着，所以很难再对调节器的参数进行更好的调整，因而系统 的动态性能的缺陷很明显，在这种情况下不是很理想。（ 2）任何扰动在转速出现偏差后也无法调整，因而转速动 态降落较大。相对开环来讲在第三章研究的永磁同步电机的双闭环控制 系统就对电机调节的优势就很明显，如仿真结果表明：对永磁 同步电机双闭环控制系统的仿真结果进行波形分析，可以很清

33、 楚的看到其的合理性，并且系统能够在非常平稳的状态下运行， 跟开环控制系统相比较而言它具有较好的静、动态特性，能够 达到我们所期望的目的。所以我们可以得出以下结论，采用该 PMSM 双闭环控制系统模型仿真， 可以非常便捷地观察出它和开 环情况下永磁同步电机相比较的优越性，实现同时也能很准确 的验证其算法是否合理，只需要对其中一部分的功能模块进行 替换或者是合理的适当的修改，就能够实现对控制策略的更换 或改进，不仅可以间断对方案的设计周期进行控制，而且还能 快速验证所设计的控制算法是否正确是否合理，更优越的地方 是能够充分地利用计算机仿真的优越性。通过修改系统的参数 变量或人为的加入不同扰动因素来考察在各种不同的试验条件 下电机系统的动、静态性能，或者是模拟相同的试验条件，通 过各种参数或者不同的波形来比较不同的控制策略的优势和劣 势，为分析和设计不同的永磁同步电机控制系统提供了更为有 效的手段和工具，也给为了实际电机控制系统的设计以及调试 提供了新的思路。在双闭环系统中应用到了直接转矩控制原理。直接转矩控制 是近几年来继矢量控制技术之后发展起来的一种具有高性能的 一种 新型的交流变频调速技术。