永磁交流伺服技術

第一講永磁同步電動機控制基本原理

高波  沈靖  王貴  (哈爾濱工業大學150001)

    【編者按】圍繞永磁同步電動機的控

制技術展開。對以pmsm為伺服電機的交流伺服系統及其控制進行較細致的說明。講座分為四個專題，內容包括永磁同步電動機控制的基本原理、伺服控制器的設計方法及控制策略、伺服系統的構成及實現和pmsm伺服技術的應用，旨在使讀者對永磁交流伺服技術有一個系統的了解。

    隨著釤鈷、稀土、釹鐵硼等新型永磁材料的出現，永磁電機在很大程度上得到了發展和完善，用于各種場合。尤其在伺服領域，在電伺服逐漸取代液壓伺服的潮流中，以永磁交流電機作為伺服電機的伺服系統越來越得到人們的青睞，因為它不僅具有普通交流伺服系統堅固耐用、維護方便等優點，而且兼備了直流伺服系統所有優良的控制特性。

    在永磁交流伺服系統中，應用較為普遍的永磁交流伺服電機主要有兩類：一類為無刷直流電動機；另一類為永磁同步電動機。前者采用方波電流驅動，后者是三相正弦波電流驅動。盡管bdcm伺服系統有轉子位置傳感器簡單、成本較低、材料利用率高、控制簡單等優點，但由于其原理上存在固有缺陷，使得轉矩脈動較大，鐵心附加損耗較大，因此只適用一般精度及性能要求的場合；而pmsm伺服系統能克服bdcm系統的不足，常用于高精度、高性能要求的場合。目前國內外對永磁交流伺服技術的研究主要集中在pmsm伺服系統上，因此本講座將圍繞pmsm對永磁交流伺服技術進行闡述。

1永磁同步電動機基本結構

    永磁同步電動機與一般感應式同步機在定子結構上是一致的，由三相繞組及鐵心構成，且電樞繞組常以“y”連接；在轉子結構上，pmsm是用永磁體取代感應式同步機的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環和電刷；與普通電機相比，pmsm還必須裝有轉子永磁體磁極位置檢測器，用來檢測磁極位置，從而以此對電樞電流進行控制，達到對pmsm伺服控制的目的。為保證系統精度及運行質量，多采用旋轉變壓器作為pmsm的轉子位置檢測器，與pmsm轉子同軸連接，圖1是永磁同步電機的結構圖。

    根據永磁體在轉子上安裝位置的不同，pmsm轉子可分為三類：凸裝式、嵌入式和內埋式，如圖2所示。

    圖2a、b兩種結構可減小轉子直徑，從而降低轉動慣量；若將永磁體直接粘在轉軸上還可獲得低電感，利于電機動態性能的改善，一般pmsm多采用這兩種形式的轉子結構。內埋式轉子是將永磁體裝于轉子鐵心內部，它的機構強度高，磁路氣隙小，適于弱磁控制的高速運行場合。

    為便于控制，pmsm的定子繞組常采用短距分布繞組，氣隙磁場設計為正弦波，以產生正弦波反電勢。

2 pmsm控制基本原理

    任何電機調速控制的關鍵是對其轉矩的控制，轉速是通過轉矩改變的，對于pmsm也是一樣。在pmsm伺服系統中，無論是速度伺服控制還是位置伺服控制，都可轉化為對pmsm的轉矩控制，因此在電伺服技術中，轉矩控制是個重點。對于pmsm控制的基本原理，其實質就是pmsm的轉矩控制原理，為了更好地闡述這一基本原理，先分析pmsm轉矩產生原理。圖3是具有一對磁極的pmsm空間矢量圖。

    圖中f_r為轉子磁勢空間矢量，由于轉子是永磁體勵磁，故f_r=const；f_s是給定子通三相正弦交流電時產生的定子磁勢，f_r與f_s的夾角δ為轉矩角。當定轉子磁極軸線重合，即δ=0或δ=π時，兩磁極系統處于穩定或不穩定平衡狀態；δ=0是穩定平衡狀態(見圖3b)，此時只存在平衡磁拉力，而無任何轉

動趨勢；δ=π時是不穩定平衡狀態，稍有擺動即回復到δ=0狀態，可見這兩種狀態下，電機不能旋轉。為使電機連續旋轉，必須保持δ≠0(見圖3c)，這樣才能產生轉矩和維持運動。根據電磁學原理，電機轉矩正比于定、轉子磁勢矢量的幅值與其夾角δ的正弦的乘積，即：

    可見，δ=90^o時，t有****值，在對pmsm的控制中，應使f_s⊥f_r才能得到****的轉矩輸出。在圖3a中，若在轉子上建立如圖所示的dq軸系，令θ₀為d軸與定子a相繞組軸線夾角，三相定子電流分別為i_a、i_b、i_c，則：

w1為定子一相繞組匝數，若以d軸為參考坐