交流永磁同步电机结构和工作原理

交流永磁同步电机结构与工作原理
2．1．1交流永磁同步电机的结构
永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正
弦波永磁同步电机(PMSM)和梯形波永磁同步电机(BLDC)【261。

正弦波永磁同步电机
定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组；气隙场
设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在
转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式。

本文中采用的电机为凸装式正弦波永磁同步电机，结构如图2一l所示，定子绕组一
般制成多相，转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统的电机转子磁极对数为两对，
则电机转速为n=60f／p，f为电流频率，P为极对数。

图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图
目前，三相同步电机现在主要有两种控制方式，一种是他控式(又称为频率开环
控制)；另一种是自控式(又称为频率闭环控制)[27】。

他控式方式主要是通过独立控
N#l-部电源频率的方式来调节转子的转速不需要知道转子的位置信息，经常采用恒压
频比的开环控制方案。

自控式永磁同步电机也是通过改变外部电源的频率来调节转子
的转速，与他控式不同，外部电源频率的改变是和转子的位置信息是有关联的，转子
转速越高，定子通电频率就越高，转子的转速是通过改变定子绕组外加电压(或电流)
频率的大小来调节的。

由于自控式同步电机不存在他控式同步电机的失步和振荡问
题，并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷和换向器，降低了转子的体积和质
量，提高了系统的响应速度和调速范围，且具有直流电动机的性能，所以本文采用了
自控式交流永磁同步电机。

当把三相对称电源加到三相对称绕组上后，自然会产生同
步速的旋转的定子磁场，同步电机转子的转速是与外部电源频率保持严格的同步，且
与负载大小没关系。

2．1．2交流永磁同步电机的工作原理
本系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、
控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成，其结构原理图如图2—2所示。

在
图2—2中，50HZ的市电经整流后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称
电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步
旋转，通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号控制逆变器功率器件开
关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持稳定的位置关系，才能产生恒定的
转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。

定子绕组中三相电流的频率和相位随
转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电
子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器。

图2—2自控式电机结构原理图
正弦波永磁同步电机属于自控式电机，只是电动机的定子反电势和电流波形均为
正弦波，并且保持同相，其可以获得与直流电机相同的转矩特性，而且能实现恒转矩
的调速特性。

本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。

2．1．3旋转式编码器
由自控式正弦波PMSM构成的伺服系统，需要实时检测电机转子的位置及转速，
本系统是通过旋转编码器来获取相关的信息。

根据编码器的工作原理不同可分为磁性
编码器和光学编码器，而根据编码器的输出信号的不同又分为增量式(incremental)
和绝对式(absolute)编码器两种。

绝对式编码器可以直接测得转子的绝对位置，每次为
检测到转子的位置提供一个独一无二的编码数字值。

绝对式型编码器(旋转型)码盘
上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线⋯⋯编排，在编码
器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次
方的唯一的2进制编码，这就称为n位绝对编码器。

这样的编码器是由光电码盘的机
械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

增量式编码器每次只能返回转子的相对位置。

增量型只能测角位移(间接为角速度)
增量，以前一个时刻为基点。

光电式增量式编码器(旋转型)由一个中心有轴的光电
码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组
合成A、B、C、D，每个正弦波相差90度相位差(相对于一个周波为360度)，将C、
D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代
表零位参考位。

由于A、B两相脉冲信号相差90度，可通过比较A相在前还是B相
在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。

编
码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多
少线，一般在每转分度5～10000线。

光学增量式编码器和磁性增量式编码器，输出信号信息基本上一样的。

光学编码
器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而磁性编码器不易受尘埃和结
露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快(达500～700kHz)，体积比
光学式编码器小，而成本更低【28】。

本系统采用的是旋转式增量磁性编码器，其适应
环境能力强，响应速度快，非常适用于在高速旋转运动中检测电动机的速度和位置。

2．2交流永磁同步电机的数学模型
正弦波PMSM定子与普通的电励磁的三相同步电机是基本一样的，并且反电动势
也是正弦波，那么其数学模型和电励磁的三相同步电机也是一样的。

在定子通三相绕
组瞬时电流，如图2—3所示。

三相定子绕组流过平衡电流分别为ia，ib，ic，在空间
上互差120。

，瞬时电流表达式如下：
(2—1)
式中Im为电流最大值。

图2—3三相瞬时电流图
图2-4对称三线绕组
电机的三相对称绕组如图2—4所示，在定子静止三相坐标系下，建立电机的定子
（2-2）
式2-2中，％、％、甜。

是定子三相绕组相电压；o‘、‘是定子三相绕组相电流；
鲴，(pb，鲈是三相定子绕组的磁链；r是定子三相绕组阻抗。

磁链方程为【29】：
（2-3）
式2—3中乞，厶，三c分别是三相绕组的自感；厶=厶。

，k=乞，k=k分别是
两相绕组间的互感；纷是永磁转子的磁链，秒=rot+岛是转子与三相静止坐标系a轴
的夹角，皖为转子的初始位置。

为了简化分析，现作如下假定：
1)电机铁磁部分的磁路为线性，不计饱和，剩磁，磁滞和涡流的影响；
2)定子三相绕组对称且为集中式绕组；
3)忽略电枢反应对气隙磁场的影响；
这样就可使各相绕组的自感和互感与转子的位置角无关，且永磁同步电机的三相绕组
是对称分布，星形联接，则厶=厶=t=三，k=k=z-aac=乞=k=k=M，三和M 都为常量，乞+‘+之=0，由此整理磁链方程如下：
（2-4）
（2-5）
（2-6）
式2．5中国是同步角速度。

根据三相绕组的感应电动势方程2—5可得出，每相绕组的感应电动势e a、％、巳是
时变的，同样三相对称电流都也是时变的，所以系统的输出转矩时变并且各个参数耦
合紧密，使整个系统的转矩控制复杂实现困难。

交流电机的矢量控制理论提出，是电机控制理论的第一次质的飞跃，使得
交流电
机的控制跟直流电机控制一样简单，并且能获得较好的动态性能。

矢量控制基本思想
是：在转子磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩
的转矩电流分量，并使两个分量相互垂直和独立，这样就可以分开调节，实现了交流
电机控制的解耦【30I，此旋转坐标系也称为d-q坐标系，d轴固定在转子磁势轴线上，q
轴位于d轴逆时针方向旋转90。

的电角度上，图2—5是极对数为2的旋转坐标系。

另外，定子绕组中的三相电流就可以通过一个空间矢量电流来表示，表达式如下：
（2-7）
式中o‘、之三相电流的有效值为I、角频率为彩的，则表达式2—7可以化简成：
（2-8）
这样i就可以看作是一个以角速度缈旋转的矢量，如图2．5所示。

图2—5旋转坐标系
图2—6静止坐标系一旋转坐标系
如果要把定子绕组中的三相电流转换到d-q坐标系上，完成输出转矩控制。

首先，
要把三相交流电流所在的三相静止坐标系转换到两相静止的坐标系口一
∥。

在固定的
定子上建立口一∥轴坐标系，口轴与a相重合，口轴逆时针旋转90。

为∥轴，转换到
两相静止坐标系的表达式如下：
（2-9）
在PMSM系统中，定子绕组采用Y型连接，则／o=0。

然后，再由静止的口一∥轴坐标系转换到d-q坐标系，如图2—6所示，转换表达
式为：
（2-10）
式中目是两个坐标系的夹角。

根据式2．10推导，可以得出d-q坐标系和三相静止坐标
系之间的转换关系如下：
（2-11）
坐标变换对于电压矢量仍然适用，由三相静止坐标系变换到d-q轴坐标系后，定子电
压方程表达式为：
（2-12）
式2—12中，，．为交、直轴阻抗；‘、乞为定子电流矢量f的直轴、交轴分量；P微分算
子；％、％交、直轴磁链。

交流永磁伺服电机定子磁链方程为：
（12-13）
式2-13中，盼为转子永磁体产生的磁链；厶、厶为电动机的交、直轴电感；
把定子
磁锛方程代入定子申．压方稗得：
（2-14）
通过坐标转换后，电机的转矩方程可以表示为：
（2-15）
将磁链方程代入后得：
（2-16）
式2—16中n是极对数5
在转子参考坐标中，若取d轴为虚袖．取q轴为实轴，则在这个复平面内，可将
定子电流空间矢量f表示为：
（2-17）
f与q轴的夹角为盯，则：
（2-18）
综上整理转矩方程得：
（2-19）
仃角实质上是定子三相绕组合成旋转磁场的轴线与转子磁场轴线间夹角。

在上式
中，括号内第一项就是由这两磁场相互作用所产生的电磁转矩，如图2—7中曲线l
所示；括号内第二项称为磁阻转短(曲线2)，它是由凸极效应引起的∞¨，并与两轴电
感参数的差值成正比。

2—7凸极同步电机矩角特性图2—8凸装式永磁同步电机矩角特性
本系统采用的是凸装式转子永磁同步电动机，所以Ld=Lq，于是电磁转矩
可以简化为：
（2-20）
式中不包含磁阻转矩项，电磁转矩仅与定子电流的交轴分量有关。

当时盯：互，每
2
单位定子电流产生的电磁转矩值最大，如图2—8所示，本系统通过‘=0
控制，使
仃=三2，这样转矩响应仅与定子矢量电流成正比。