现代交流伺服系统 课件 第2章 交流永磁伺服电动机.pptx

第2章交流永磁伺服电动机

交流永磁伺服电动机内容提要2.1交流永磁伺服电动机的分类与结构2.2永磁交流伺服电动机的数学模型2.3转矩方程和运动方程2.4伺服电动机的状态方程与电流反馈线性化2.5交流永磁伺服电动机矢量控制的基本原理2.6无刷直流电动机的数学模型与其矢量控制1

2.1.1交流永磁伺服电动机的分类目前在交流伺服驱动系统中，普遍应用的交流永磁伺服电动机有两大类。①无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，BDCM），②三相永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）无刷直流电动机三相永磁同步电动机2

2.1.1分类无刷电动机是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子。颠倒了原来直流电动机的定、转子，并且在转子上采用永磁体，在定子侧用电子换向器取代了传统的机械换向器，因而得名无刷直流电动机。永磁同步电动机的基点是用转子的永磁体取代了转子上的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷。永磁同步电动机要求输入定子的电流是三相正弦，所以称为三相永磁同步伺服电动机。3

2.1.1分类?图2-1PMSM和BDCM的波形4

2.1.2结构两类永磁交流伺服电动机的结构形式，要按运行要求和应用条件而定，还与选择的永磁材料有关。就总体结构而言，大多数是采用内转子；就磁场方向来说，多用径向方式；就定子结构而言，多采用分数绕组和有槽铁心。就内转子结构而言，有三种安放永磁体方式：凸装式、嵌入式、内埋式三种基本形式，前两种形式又称为外装式结构。内转子，外定子外转子，内定子5

2.1.2结构图2-2绘出了凸装式转子永磁体的3种几何形状，其中图2-2a)具有圆套筒型整体磁钢、每极磁钢的宽度与极距相等，而提供十分接近矩形的磁场分布。a）圆套筒型b）瓦片型c）扇状型图2-2凸装式转子永磁体6

2.1.2结构图2-3绘出了嵌入式、内埋式永磁转子几何形状，凸装式和嵌入式结构不仅转子直径做得较小，低惯量，特别是若将永磁体直接粘在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。因此许多永磁交流伺服电动机都做成这种外装式结构。a）嵌入式永磁转子b）内埋式永磁转子7图2-3嵌入式、内埋式永磁转子结构

2.1.2结构在图2-3a中，不是将永磁体凸装在转子表面上，而是嵌入转子表面之下。永磁体的宽度小于一个极距，相邻永磁体间的铁心构成一个大“齿”，这种方式称为嵌入式结构。在图2-3b中，不是将永磁体装在转子表面，而是将其埋装在转子铁心内部，每个永磁体都被铁心所包容，这种方式称为内埋式结构。a）嵌入式永磁转子b）内埋式永磁转子8图2-3嵌入式、内埋式永磁转子结构

2.1.3内埋式转子结构的磁路特点因为永磁材料的导磁率十分接近于空气，所以凸装式永磁交流伺服电动机的交、直轴的电感基本相同。而嵌入式和内埋式结构的伺服电动机与凸装式不同，其交轴电感大于直轴电感，这样，除了电磁转矩外，电动机还会产生磁阻转矩。转子凸极是产生磁阻转矩的原因，磁阻转矩的大小与两轴电感间的差值成正比。这样，从概念上讲，可将整个转矩解释为是一种混合式结构转矩，由凸极同步电动机的磁阻转矩和凸装式永磁转子同步电动机的电磁转矩组合而成。9

图2-4所示为一台四极内埋永磁转子。将径向穿过永磁体磁场的中心线定义为直轴（d轴），将径向穿过极间中心线定义为交轴（q轴），两个磁极轴线相差45°机械角度（电角度90°）图2-4四极内埋式永磁电动机磁路a）直轴b）交轴102.1.3内埋式转子结构的磁路特点

通过调整内埋式转子的设计参数，可以分别控制这两项转矩相对于总转矩的比例。利用转子的凸极性，可以进行较为灵活地设计，以此来改进电动机的输出和调速特性。设计实例：利用磁阻转矩提高转矩/电流比，即降低永磁体励磁，减小空载电动势。既可以避免高速区由于过电压造成的危险，又可以在弱磁方式下进一步拓宽速度范围。112.1.3内埋式转子结构的磁路特点图2-4四极内埋式永磁电动机磁路

2.2.1为简化数学模型所作的一些假设为简化数学模型所作的八个假设：电动机的磁路是线性的，如果不计剩磁、饱和、磁滞和涡流效应，可以使用叠加原理；电动机的定、转子之间气隙磁场在空间上是按正弦规律分布，不计高次谐波的影响；电动机的转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；交流永磁三相同步电动机通过三相正弦电流，在时间上互差120°电角度；不计定、转子表面的齿槽效应的影响；不考虑频率变化和温度变化对定子绕组电阻和漏抗的影响；电动机的结构对直轴和交轴来说是对称的；反电动势波形是严格的正弦型的。满足以上8条要求，这个电动机就是所谓的“理想电动机”，在理想电动机的条件下推导出伺服电动机的数学模型。12

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