永磁同步电机的原理及结构教学内容

此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除第一章永磁同步电机的原理及结构1.1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动性质的矩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。1.2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要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别常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1.1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。只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除图面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的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其制造方便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化设计中最主要的方法是把气隙磁链的分布结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，例能减小磁场的谐波以及它所带来的负面效应以上的方法能够很好的改善电机的运行性能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磁同步电机中的永磁体是被安置在转子的内部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，因为有气隙的磁通密度，所以明显的它跟面贴式的电机相比较就会产生很大的转矩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只供学习与交流pn••••x2pn••••x2x此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除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（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。1.3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nr/min,所以转子的磁动势相应的转速也为nr/min，所以定子的电流相应的频率f=产生的，所以应为

60

,因为定子旋转的磁动势的旋转速度是由定子上的电流60f60np60

(1.1)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IxjI0d

q

（1.2）对于永磁同步电机的功率而言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UEU20sindd

（1.3）对于永磁同步电机的转矩而言恒定的转下矩和功率是成正比的，所以可以得到以下公式只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除PmUEmU21M0sin11

（1.4）只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除第二章永磁同步电机物理模型开环仿真2.1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。Ud

io

负载Uo

图2-1逆变电路图2-1中S1-S4为桥式电路的4个臂，它们是电力电子器件及其

辅助电路组成的。当开关S1、S4闭合S2、S3断开时，负载电压u为正；当S1、S4开，S2、0S3闭合时，u为负，其波形如图2-2所示。0只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除Uoiot2

t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和电压u的波形是相同的，相位也相同。当负载0是阻感时，i的基波相位滞后于u的基波，两者波形的形状也不同，图2-2给出的00是阻感负载时的i的波形。设t时刻断开S1、S4，同时合上S2、S3，则u的极性00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t时刻降到零，之后i才开始并反向增大。S2、S3断开，、S4闭合时的0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是由三个单相逆变电路而组成的三相逆变电路中三相桥路图2-3所电逆路是采用GBT作开关器件的可以很明显的看出它是由三个半桥逆变电路组成的。只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除V12

V3VD1

V5VD3VD5UN’

VN

VD4

VD6

W

VD2V4

V6

V2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

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所示只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除图2-4逆变器模块参数设置六路脉冲触发器模块，如图2-5所示只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除图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α角的六路脉冲。如图2-6所示aipha_deg输入一个

图2-6六路脉冲触发器输出的脉冲发射信号，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所示只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除图2-7六路脉冲触发器参数设置只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除图2-8整体开环仿真框图本文在基于Matlab下建立了永磁同步电机的开环电机模型的仿真。PMSM的参数设定为：电机的额定电压220V，额定电流为3A，额定机械转速为3000rpm,极对数为2磁输出功率为900W,子阻抗为4.3Ω轴感抗为0.027H,交轴感抗为0.067H，漏磁通λ为0.272wb，转动惯J0.00179kgmf数B0。得到的仿真结果图如图所示

,粘滞摩擦系只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除0.522.53.54.55图2-9电机转速曲线从图中的曲线可以看出，电机转速给定值为3000N，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-10

<Electromagnetictorque(N*m)>

data1-20

1.53.55图2-10永磁同步电机转矩曲线只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除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。电流的仿真结果如图所示150100500

<Statorcurrent(A)>011.52.534.5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。只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除第三章永磁同步电机双闭环仿真3.1永磁同步电机双闭环仿真模型在MATLAB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控制器再由PI控制器送达转速控制模块并通过坐标变换产生的参考电流，与PMSM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流控制模块，电压逆变模块

。PMSM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：

TeL

t

(3.1)而

r

P2

（P为极对数）(3.2)‘则可以建立如下的电机本体模块，如图所示：只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除1in_1

Vd

wr

Lq

Sum

1Ld.s+RsTransferFcn

id

1Lq

Product2in_2

Vq

Sum

1Lq.s+RsTransferFcn1

iq

2Product1Yf

LdLdSum2

YfTeLq

Lq

-K-

-K-

3Ld

Sum3

Product

1.5*p1

YfYf13

TL

p1/J

1/s

wr

4in_3

Sum

p1/J

Integrator

Switch

1/s

pos.

50

Integrator

wr=0if<0

Yq

Yd

67图PMSM电机本体模块3.1.2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]。图PI控制模块只供学习与交流iqidiqid此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除3.1.3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与提供的定子电流角则iTf

I

相等而直轴的期望电流大小为0，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仿真过程中是由程序实现的，转矩控制模块也是根据以上的原理建立的。3.1.4在仿真中，主要有个坐标变换的模块：两相旋转坐标系向两相静止坐标系变换（d—q到—相静止的坐标系向三相坐标是变换—到abc及三相坐标系向两相静止坐标系变（abc到—静止坐标系向两相旋转坐标变换—到—）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：iicos

q

iid

q

（3.5两相静止坐标系向三相坐标系变换：iia只供学习与交流

b02c0b02c0此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除1iiiiii相应的反变换为：

（3.82iii3

i

c

（3.10）icosisin

sin

(3.11)（3.12）根据坐标变化公式（—）可以建立如图3-3图3-4、图、图的坐标变换模块。只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除1in_12

in_2

13

in_3

123图-3换

211in_12in_2

-K-GainSum-K-1Sum2图3—4α－到abc坐标变换

1out_12out_23out_3只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除1in

Sum

1out_12in

Sum2

-K-Gain3in

Sum1

-K-Gain1

2out_21in2in

图3—5abc到α－β坐标变换cos(u)Fcnsin(u)Fcn1Product

13

Sum

out_1in

Product1Product2Product3

2Sum1out_2图3—6

α－到d－q坐标变换3.1.5对于电流控制方式而言，采用的是滞环控制。首先确定一个期望值，根据滞环的带快要在期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，如图示。在图首只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除先将实际电流与期望电流进行比较后产生误差经过滞环控制器后产生三相电压信号后经过数据逻辑非运算器器件和类型变换装置产生桥路6IGBT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脉冲触发信号，控制各个的导通以及关闭。在本次仿真中，滞环的宽度设为0.1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，输出值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0。1IabcbooleanSum

Relay

DataTypeConversion

NOTLogicalOperatorbooleanSum1Relay1

DataTypeConversion1

NOT

1gatesignal2

LogicalOperator1Iref

booleanSum2Relay2

DataTypeConversion2

NOTLogicalOperator2图3—7

滞环控制器结构3.1.6电压源逆变器如图3-8所示，根3.1.5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，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。这个逆变桥的管是选用的IRGIB10B60KD1为了得到相对更好的电流波形，要在IGBT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，左下角独立的部分是IGBT桥路中流经管的电流以及电压的只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除测量装置，可通过它得到流经每个IGBT的电压和电流，要想得到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在功率输出端放上一个积分器输出值即可得到。Scope1Scope23Is

+-

v1

s

+

VM6-

CM4

Iabc

R1

-

CCSDC

PWMIGBTInverterg+A

gatesignal2A

A

+CM1

i-

1Iabcoutspeed1

R4

s-

+

+v-VM4B

B

B

+

i-

1R2

CCS1-

C

C

C

CM2

R5LCFilter

+CM3

i-4

s-

+

+-VM5

vMultimeter

R3

CCS2Scope3Product1

R6

Vabc2图3—8

电压逆变器结构3.2仿真结果只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除Continuouspowergui

Clock

timeTo

Te*

Scope1

signal

out300

Control

Referencespeed[rad/s]

Sum

Te*

Productdq-->alfabetateta,id

alfa-betatoabc

HysteresisCurrentControl

PISwitch

signal1Constant-1

Sum1

signal

1

dq-->alfabetateta,idabc

isaPwmControl1To

currentcontrolandinverter

ScopeTe*

idiqTorquePM-SMToWorkspace1

Scope356

Sum2

abctoalfa-beta

alfa-beta-->dqteta,ialfaibeta

PM-SM

cos(u(1))Fcn

-K-1Gain3

eaTomotor

speedSwitch1

ToLoadSampleholdSampling图3-9整体仿真框图

Gain60本文基于中SIMULINK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参数设定如下：电机的额定电压为，额定电流为3A，额定机械转速1700rpm，极对数2，电磁输出功率900W，定子阻，直轴感抗为，交轴感抗。漏磁通为0.272wb，转动惯量J为f0.00179kgm

,粘滞摩擦系数B为0.本次仿真就是为了验证所设计的PMSM双环控制系统的仿真模型的静、动态性能是否得到改善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=0.4s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，滞环宽度取为0.1。只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除400300200100000.10.20.30.40.60.70.80.91图3-10永磁同步电机双闭环控制转速0.20.30.50.9图3.11

永磁同步电机双闭环控制转矩只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除-5000.20.30.40.50.60.70.80.91图3.12

永磁同步电机双闭i电流曲线-5000.20.40.60.70.9图3.13

永磁同步电机双闭i电流曲线只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除-500-1000-1500-20000.20.50.61图3.14

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。只供学习与交流此文档仅供收集于网络，如有侵权请联系网站删除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。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能够实现对控制策略的更换或改进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优越的地方是能够充分地利用计算机仿真的优越性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给为了实际电机控制系统的设计以及调试