永磁同步电机及其控制技术的研究现状

永磁同步电机及其控制技术的研究现状

A直流电机、异步电机、同步电机三大电机系统中，衣磁同步电机为其性能优良和结构多样，在工农业生产制造.日常生活以及航空航天事业等领域中得到广泛的应用。为使得电机有较好的控制性能，需要便用变频器时永卓同步电动机进行驱动和控制.因此，研究如何在通用变额器上实现永嵐同步电动机矢呈控制具有非常重硬的实用价值：

(1)永磁同步电机矢量控制系统是一种髙性能的交流调速系统.由于永礎同步电机结构简单、体积小、重量轻、效率高、过载能力大、转动惯虽小以及转矩脉动小零优点，并且利用矢量控制思想*永磁同步电机可以便得输出转矩随定了电流线性变化，永磁同步电机矢畐拎制系统可以达到优越的控制性能⑴.

(2)我国是世界上星早利用磁的国家，早在公元前2500年前后就己经有相黄天然磁石的记载◎同时，水磁材料产业的发展与电子信息、通信技术、矿业、航空航天、交通运输等行业密切相关.具有璽宴的战略意义I*】.

(3)殺电子技术的发脱促进了数孑技术在调速系统屮的应用，配合髙效软件可提供较好的灵活性和控制性能"电机控制系统的数了化进程是实现现代调速系统发展的方向之一。相比了:模拟控制，数字控制更易于实现先进控制饺毎同时数字控制系统的硬件成本低、结构简帕且高效节能固°

人类最早发明的电机是利用天然磁铁建立磁场的.1821年9月.法拉第发现通电匕线在雄场中会受到力的作用，他第一次实现了把电能转化为机械能.从而在实骡峑建立了堀初的电机模型，被认为是世界上第一台电机° 1831年*在发现电磁感应现象之后不典，法拉第利用电磁感应原理发明了111界上弟一台真正恿义上的电机——法捡第岡盘发电机•】旳2年，斯特金发明了换向器，制件了世界上第一台能够连续运动的旌转电机.1845年.英国的惠斯通用电磁铁代替永久磴铁，并取得了乍利权，这是增强发电机输岀功率的一个重雯措施,1967年.锣诂永磁材料的岀现，开创『永磁电机发展的新纪元.

随着科学技术的发展，各类电机不审问世，电机的种类越来越多。上要分为白漩电机和交流电机两大樂而交流电机主耍分为并步电机和同步qi动机届步电机结构简单，造价低廉且维护较少，可应用于衽环境恶劣的场合，但也存在不少缺点，运转过程中电

机发热导致转子电阻变化从而影响矢量控制性能。在交流调速系统发展初期，异步电动机

在调速系统中得到了广泛的应用.相反，在变频器出现Z前，同步电机的应用相对较少，主要是因为同步电机在丁•频电源卜•，静止的电机转子在定子旋转磁场的一个周期内受到的

平均转矩为零，即同步电机无法实现自启动。因此，在变频器的广泛应用之前，在工业应

用中对同步电机进行调速是及其闲难的。在大功率范围内的同步电机应用也往往屣用来改

善电网功率因数，直到变频电源技术的发展，才解决了上述问题，最终推动永磴同步电动

机在工业调速系统中的发展与应用

随看永磁材料性能的提高和价格的降低，以永磁同步电机为执行机构的交流调速系统已经成为当今调速系统的主流•交流永磁电机根据电机主礎场在定子绕组中感应出的电动势波形的不同，主要分为两大类；相感应电势波乡为梯形波的称为无刷直流电机

(lhe Brushless DC Motor,简称BLDC),相感应电势波形为正弦波的称为水磁同步电机(Pcrinaiicnl Magiict Synchronous Motor,简称PMSM)。英相感应电势与电流之间的关聂如图1.1所示•为产生恒定转矩，控制BLDC需要三相对称方波电流,而控制PMSM 则需三相对称正弦电流。

图1.1永磁电机相反电动孙与电流关系波形

PMSM按永磁体所在的位置不同，可分为旋转磁极式和旋转电枢式；按所使用的永磁材料种类多少可分为单一式结构和混合式结构；按永磁体形状分为瓦片形磁极、弧形磁极、环形磁极、星形磁极和爪极式磁极；按水磁体生转子上的安置方式可分为表贴式、内嵌式和内埋式结构。

由于永磁材料的磁导率与空气的磁导率十分接近，因此对于农贴式永磁同步电机而言，交直轴电感基本相等，属于隐极电机：而内嵌式永磁同步电机与内埋式永磁同步电机的直轴磁路与交轴磁路不同，所以交H轴电感也不同，属于凸极式电机。衣贴式永磁同步电机的永磁体由外包钢膜贴于转子表面，交直轴电感较小，町快速获得感应电流，无磁阻转矩部分，因此可获得较好的线性转矩特性，多用于要求快速响应的随动系统，但此类转子结构限制了它在高速场合的应用，防止永礎体由于较大的离心力而飞出。内埋式水磁同步电动机由于永磁体埋入转子内部，解决了因离心力而便磁铁E出的问题，此类结构的电机存在磁陌转矩，

可提岳电机的功率密度，但制造工艺哥度大导致价格昂贵且漏磁系数较前者大®5.

永磁同步电机的发展与永磁材料技术的发展进步息息相关.冃前，永磁同步电机采用的永嵌材料主要有铁氧体、铝银鉢•和稀土永磁材料三大类。其中，稀土永磁材料主要包括妆铁硼和彫钻。彫钻永磁材料性能好、价格昂贵，在使用这类材料吋，各国研究开发的重点是航天航空用的电机和迢求高性能而价格不是主要考虑范围的高科技领域。1983年，随着磁性能比彩钻更高而价格相对较低的钱铁硼永磁材料岀现，国内外研究开发的重点转移到民用和工业用的电机上.国外主要开发数控机床、计算机硬盘驱动电机和机器人用的无刷H流电机，国内主要开发各种工业调速系统用的高效永磁同步电机。到20世纪90年代初期，妆铁硼永磁材料已经占据了世界铁磁市场50%份额〔⑹。近年来，随着敘铁碉永磁材料耐高温性能的不断提高和价格的再次降低，放铁硼永磁电机在日常生活、工农业生产和国防等方面得到更为广泛的应用，正在向着离功能化、大功率化和微型化方向发展，永磁电机的品种和应用领域也将不断扩大"Q】。

1.2.2永磁同步电机控制策略的发展

直流电机的控制方法禮锻U成熟.貝中，调节电枢回路电阻最为简单，但是它用于有极调連，且能耗高.圧來发展到调节电枢电压调速，电动机的调連性能好.風于无极调速41是需耍较为复杂冃昴贵的调压装置•其中可以采用的调乐装耆有旋转变流机纠、晶闸管科拎第流系统、宜流PWM斩波系绞等.永磁同步电机与异步电机不同.稳态运行时不©在转基，因而只能通过改变主磁场的运行调速即改变电机极对数或者改变定子电流频率来实现永磁同步电机的调弦。交流电机变频调速已经广泛应用于乂种场合，本文中交流永磁同步电机的控制就是围绕变频调速展开的。

永磁同步电机的控制策略主要有以下三种方式：调压调频控制(Variable Voltage Variable Frequency,简称VVVF 或者VF)、矢蚩控制(Field Oriented Control,简称FOC) 和□接转矩控制(Direct Torque Control.简称DTC)

VF控制方式所控剖的是电机的外部变量，即电机的定子电压和频率。在系统中预先设定好一条电压随频率变化的曲线.对于任意频率值，根据这条VF曲线都能找到相应的电压值，然后将此电压值通过一定的调制算法并由逆变器产生岀这个正弦电压再施加到电机的定子绕组上，就能实现VF控制。通常逆变器的调制方法选择PWM方式。VF控制属尸开环控制，非常适用于精度要求不高的异步电机调速场合.若便用VF方式控制同步电机，重我时会出现电机失步的现象。

矢量控制也叫琏场定向控制，其实质是在控制三相交流电的电压大小和频率大小的基础上，加上了相位控制，这个相位在具体操作中体现为一个角度，简单的讲就是电机定子电流相对于转子磁极的位艮角•电机定子三相对称交流电的综合效果足一个旋转磁