永磁同步电机简介课件

永磁同步电机简介武琦2016/9/121/17永磁同步电机简介武琦1/17（1）永磁同步电机的发展现状（2）永磁同步电机控制技术发展状况（3）永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述（4）永磁同步电机的热点问题研究（5）永磁同步电机的发展趋势2/17（1）永磁同步电机的发展现状2/173/171.永磁同步电机的发展现状永磁同步电机的概念（1）永磁同步电机有高动态性能，高效率，轻量化等特点，代表着21世纪电机驱动系统发展方向之一；（2）电机驱动系统包括电机，驱动器，电流，位置及速度控制器等；（3）永磁电机是一种电能转化为机械能的装置，主要通过定子与转子磁场相互作用产生旋转转矩，带动负载；（4）与感应电机相比，在原理和结构等方面相似，定子结构基本一致，永磁电机的转子激励不是靠感应线圈，而是由固定的永磁铁实现的。3/171.永磁同步电机的发展现状4/17永磁同步电机的发展历程第一阶段：20世纪60—70年代，主要集中在航空，航天等特殊行业高端领域；第二阶段：20世纪80年代，随着钕铁硼永磁材料出现和电力电子与微电子的发展，开始扩展到工业和民用领域；第三阶段：20世纪90年代至今，永磁材料，电力电子，微电子，控制算法等都有了显著进步，使其应用更广泛，已经成为驱动系统的首选电机。4/175/17永磁同步电机的分类定子绕组转子磁铁5/17定子绕组转子磁铁6/17PMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表面贴装式（SM-PMSM）

直交轴电感Ld和Lq相同，定子磁场和转子磁场相互作用时不会产生磁阻转矩。6/17PMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表面贴装7/17（2）内埋式（IPMSM）

交直轴感:Lq>Ld气隙较小，有较好弱磁能力，易于实现弱磁控制，比较适合高速运行，但是有磁阻转矩，增加了转矩控制的复杂度。7/17（2）内埋式（IPMSM）交直轴感:Lq>L8/17永磁同步电机的特点（1）永磁同步电机有高功率密度，与相同功率的感应电机相比体积小，重量轻；（2）具有小转动惯量，易于应用对电机驱动系统要求较高的动态响应领域；（3）与绕线式感应电机相比无滑环和电刷，可靠性提高，更易应用于高速场合；（4）与感应电机相比，永磁电机的转子激励不是靠感应线圈，而是由固定的永磁铁实现的，且无直接电能消耗，电机效率提高。8/179/172.永磁同步电机控制技术发展状况核心器件技术发展（1）20世纪五六十年代以晶闸管为代表；（2）20世纪七八十年代以GTO,GTR,MOSFET的发展；（3）20世纪后期的IGBT出现，成为电力电子领域的主导功率器件；（4）以PIC,HVIC,IPM等功率集成电路为代表，将功率器件与驱动，检测和保护于一体，使电机可靠性更高，功率密度更大；（5）微处理器的发展，DSP的出现；同时FPGA/CPLD技术的发展为实现PWM控制提供了新的进展。9/172.永磁同步电机控制技术发展状况10/17永磁同步电机控制策略

（1）上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*mi*t

si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~异步电动机给定信号

矢量控制系统原理结构图10/17控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等（2）继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的DepenBrock又提出了交流电动机的直接转矩控制方法，其特点是直接采用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通。

直接转矩控制原理图11/17（2）继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的DepenB3.永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述永磁同步电机是一个多变量，强耦合的非线性系统。实际应用中电机的参数实时变化，且会受到外部干扰的影响，因此很多的先进控制算法被应用到交流控制系统来解决上述问题。（1）PI控制优点：经典控制策略，方法简单，既能提高静态精度，又能改善动态品质；缺点：PI控制法属于线性的控制方法，适应负载能力差，抗干扰能力差，控制性能不够稳定。（2）滑模变结构控制优点：不要求精确的数学模型，不受参数变化和外部扰动的影响；缺点：由于惯性，时间延迟等因素，存在抖振现象。12/173.永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述12/1713/17（3）自适应控制优点：无需精确的控制对象，无需进行参数估计；缺点：在线辨识和校正的时间比较长，对一些变化较快的伺服系统，达不到理想控制效果。（4）模糊控制优点：无需精确数学模型，鲁棒性强，适用于解决非线性，时变系统的问题；缺点：难以达到较高的控制精度，其本身很难消除稳态误差。（5）神经网络控制优点：可以很好改善控制系统的稳定性和鲁棒性；缺点：算法很复杂，多用于仿真实验。13/17（3）自适应控制14/174.永磁同步电机的热点问题研究（1）无传感器控制技术及各种先进智能控制位置传感器的存在，增加了系统复杂度和成本，降低系统的鲁棒性。难点是初始转子位置的准确性。应于中高速运行的无传感器控制技术主要有：●定子磁链估计法●模型参考自适应法●状态观测器法●滑模变结构法●神经网络辨识法●扩展卡尔曼滤波法●检测电机相电感变化的位置估计法14/174.永磁同步电机的热点问题研究15/17适应于零速和低速运行的方法有：●旋转高频电压信号注入●脉动高频电压信号注入●INFORM法●载波频率成分提取法（2）良好的启动性能永磁同步电机启动转矩小，启动速度慢。启动方法主要有异步启动法和变频启动法。异步启动使电机加工工艺变复杂，机械强度变差；变频启动对变频器的质量和性能有较高的要求。15/17适应于零速和低速运行的方法有：16/17（3）弱磁控制永磁同步电机的转子是永磁铁励磁，随着转速的升高，电动机电压达到逆变器所能输出的极限，再想升速就只能靠调节定子电流的大小和相位增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。（4）性能改善主要从开发新结构电机，力矩补偿减少力矩波动，改善永磁体的抗消磁能力等方面对电机的性能进行改善。16/17（3）弱磁控制17/175.永磁同步电机的发展趋势（1）大功率，高转速，高转矩，高效率，质量轻（2）轻型化，微型化，高功能化，专业化（3）动力传动一体化的电机驱动系统（4）高性能，高档永磁同步电机伺服系统17/175.永磁同步电机的发展趋势永磁同步电机简介武琦2016/9/1218/17永磁同步电机简介武琦1/17（1）永磁同步电机的发展现状（2）永磁同步电机控制技术发展状况（3）永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述（4）永磁同步电机的热点问题研究（5）永磁同步电机的发展趋势19/17（1）永磁同步电机的发展现状2/1720/171.永磁同步电机的发展现状永磁同步电机的概念（1）永磁同步电机有高动态性能，高效率，轻量化等特点，代表着21世纪电机驱动系统发展方向之一；（2）电机驱动系统包括电机，驱动器，电流，位置及速度控制器等；（3）永磁电机是一种电能转化为机械能的装置，主要通过定子与转子磁场相互作用产生旋转转矩，带动负载；（4）与感应电机相比，在原理和结构等方面相似，定子结构基本一致，永磁电机的转子激励不是靠感应线圈，而是由固定的永磁铁实现的。3/171.永磁同步电机的发展现状21/17永磁同步电机的发展历程第一阶段：20世纪60—70年代，主要集中在航空，航天等特殊行业高端领域；第二阶段：20世纪80年代，随着钕铁硼永磁材料出现和电力电子与微电子的发展，开始扩展到工业和民用领域；第三阶段：20世纪90年代至今，永磁材料，电力电子，微电子，控制算法等都有了显著进步，使其应用更广泛，已经成为驱动系统的首选电机。4/1722/17永磁同步电机的分类定子绕组转子磁铁5/17定子绕组转子磁铁23/17PMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表面贴装式（SM-PMSM）

直交轴电感Ld和Lq相同，定子磁场和转子磁场相互作用时不会产生磁阻转矩。6/17PMSM按转子永磁体的结构可分为两种（1）表面贴装24/17（2）内埋式（IPMSM）

交直轴感:Lq>Ld气隙较小，有较好弱磁能力，易于实现弱磁控制，比较适合高速运行，但是有磁阻转矩，增加了转矩控制的复杂度。7/17（2）内埋式（IPMSM）交直轴感:Lq>L25/17永磁同步电机的特点（1）永磁同步电机有高功率密度，与相同功率的感应电机相比体积小，重量轻；（2）具有小转动惯量，易于应用对电机驱动系统要求较高的动态响应领域；（3）与绕线式感应电机相比无滑环和电刷，可靠性提高，更易应用于高速场合；（4）与感应电机相比，永磁电机的转子激励不是靠感应线圈，而是由固定的永磁铁实现的，且无直接电能消耗，电机效率提高。8/1726/172.永磁同步电机控制技术发展状况核心器件技术发展（1）20世纪五六十年代以晶闸管为代表；（2）20世纪七八十年代以GTO,GTR,MOSFET的发展；（3）20世纪后期的IGBT出现，成为电力电子领域的主导功率器件；（4）以PIC,HVIC,IPM等功率集成电路为代表，将功率器件与驱动，检测和保护于一体，使电机可靠性更高，功率密度更大；（5）微处理器的发展，DSP的出现；同时FPGA/CPLD技术的发展为实现PWM控制提供了新的进展。9/172.永磁同步电机控制技术发展状况27/17永磁同步电机控制策略

（1）上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*mi*t

si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~异步电动机给定信号

矢量控制系统原理结构图10/17控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等（2）继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的DepenBrock又提出了交流电动机的直接转矩控制方法，其特点是直接采用空间电压矢量，直接在定子坐标系下计算并控制电机的转矩和磁通。

直接转矩控制原理图28/17（2）继矢量控制之后，1984年德国鲁尔大学的DepenB3.永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述永磁同步电机是一个多变量，强耦合的非线性系统。实际应用中电机的参数实时变化，且会受到外部干扰的影响，因此很多的先进控制算法被应用到交流控制系统来解决上述问题。（1）PI控制优点：经典控制策略，方法简单，既能提高静态精度，又能改善动态品质；缺点：PI控制法属于线性的控制方法，适应负载能力差，抗干扰能力差，控制性能不够稳定。（2）滑模变结构控制优点：不要求精确的数学模型，不受参数变化和外部扰动的影响；缺点：由于惯性，时间延迟等因素，存在抖振现象。29/173.永磁同步电机控制系统的控制算法研究现状综述12/1730/17（3）自适应控制优点：无需精确的控制对象，无需进行参数估计；缺点：在线辨识和校正的时间比较长，对一些变化较快的伺服系统，达不到理想控制效果。（4）模糊控制优点：无需精确数学模型，鲁棒性强，适用于解决非线性，时变系统的问题；缺点：难以达到较高的控制精度，其本身很难消除稳态误差。（5）神经网络控制优点：可以很好改善控制系统的稳定性和鲁棒性；缺点：算法很复杂，多用于仿真实验。13/17（3）自适应控制31/174.永磁同步电机的热点问题研究（1）无传感器控制技术及各种先进智能控制位置传感器的存在，增加了系统复杂度和成本，降低系统的鲁棒性。难点是初始转子位置的