永磁同步电动机的数学模型和矢量控制-Read.PDF

沈阳工业大学硕士学位论文 2永磁同步电动机的数学模型和矢量控制 随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电动机得到了广泛应用。作为能量转换 的装置，永磁同步电动机有多种结构和分类。本章首先简要叙述了永磁同步电动机的基 本结构和主要分类，然后对其数学模型进行了分析，给出了永磁同步电机的运动方程 等，从而为对其进行矢量控制奠定了理论基础。 2.1永磁同步电动机的分类和结构 永磁同步电动机的基点是用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而 省去了励磁线圈、滑环和电刷。永磁同步电动机的定子与绕线式同步电动机基本相同， 要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电动机。 和普通同步电动机一样，永磁同步电动机也是由定子和转子两大部分组成，其基本 结构如图21所示。电机定子由定子铁心由〔冲有槽孔的硅钢片压叠而成)、定子绕组(在 铁心槽中嵌放三相电枢绕组)。转子通常由轴、永久磁钢及磁扼等部分组成，其主要作 用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，与通电后的定子绕组互相作用产生转矩 以驱动自身运转。 根据转子极对数的不同，永磁同步电动机分为单极和多极。图21是具有一对极对 数的永磁同步电机。 定子绕组 转子 图2.1具有一对极的永磁同步电机 根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机有表面式、嵌入式和内埋式。 前两种形式又统称为外装式结构，其可使转子做得直径小，惯量低，特别使是若将永磁 沈阳工业大学硕士学位论文 体直接粘接在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。正因如此，许多交流 永磁伺服电动机都采用这种外装式结构。 另一种转子结构是将永磁体埋装在转子铁心内部，每个永磁体都被铁心所包容，通 常称之为内埋式永磁同步电动机。这种结构，机械强度高，磁路气隙小，所以与外装式 转子相比，适合弱磁运行。 表面式永磁同步电动机实质上是一种隐极式同步电动机，因为永磁材料的磁导率十 分接近空气，所以交、直轴电感基本相同。而嵌入式和内埋式结构属于凸极式同步电动 机，其交轴电感大于直轴电感，这样除产生电磁转矩外，还产生磁阻转矩。若能灵活利 用此磁阻转矩可获得高效率的运转。此方面的特点，尤其受到大家所关注9]1〔。 2.2坐标变换原理 在矢量控制中用到几种坐标系，下面将对各坐标系进行逐一分析，并给出之间的变 换关系l[浏。 22.1坐标系介绍 ()1 三相静止坐标系 三相永磁同步电机的定子里有三相绕组，其绕组轴线分别为A、B、C，且彼此互 差210’空间电角度。当通以三相平衡的正弦电流队、电、ci时，就产生了一个旋转的 磁场。三相静止坐标系定义如图22所示，A、B、C三个坐标轴互差12a0 。 2() 两相静止坐标系 为了简化分析，定义一个两相坐标系二、刀，如图23所示。如果在由a、刀组成 的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋转磁场，效果和三相绕组产生的 一样。因此可以由两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而简化了运算过程。 图22.三相静卫卫垒标系 图23两相静止坐标系 沈阳工业大学硕士学位论文 ()3 同步旋转坐标系 将转子轴向定义为d轴，逆时针超前9a0方向为q轴，如图2.4所示: 图2.4同步旋转坐标系 对于PMSM来说，用固定于转子的参考坐标来描述和分析它们的稳态和动态性能 是十分方便的。此时取永磁体基波磁场的方向为d轴，而q轴顺着旋转方向超前d轴 90“电角度。转子参考坐标系的旋转速度即为转轴速度。当转子在空间旋转时，d、q 坐标系也在空间旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，称为同步旋转坐标系。 2.22坐标变换 如果能将交流电机的物理模型等效地变成类似直流电机的模式，然后再模仿直流机 去进行控制，问题就可以大为简化，坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同 电机模型彼此等效的原则是:在不同坐标系下产生的磁动势相同。