1、（一）（二）莂 P M S M的 數(shù) 學(xué) 模 型蟻交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)的三相繞組分 布在定子上，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中，定子與轉(zhuǎn)子始 終處于相對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永磁體與繞組，繞組與繞組之間相互影響，電磁關(guān)系十分 復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素，要建立永磁同步電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型是很 困難的。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們通常做如下假設(shè)：1)2) 螆忽略電機(jī)的磁路飽和，認(rèn)為磁路是線性的；3)3) 蚆不考慮渦流和磁滯損耗；5)4) 蒂當(dāng)定子繞組加上三相對稱正弦電流時(shí)，氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢， 忽略氣隙中的高次諧波；7)5) 螇驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和

2、續(xù)流二極管為理想元件；9)6) 蒈忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等影響。蒄永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 組成，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：薂(I)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示：udRsidLddtUq二 RsiqLqdiqdt+ co屮c羆其中，Rs為定子電阻；ud、uq分別為d、q軸上的兩相電壓；id、iq分別為d、 q軸上對應(yīng)的兩相電流；Ld、Lq分別為直軸電感和交軸電感；3 c為電角速度； 書d、書q分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。膃若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程，則需做兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換，如下式所示UbIIWc

3、丿蕿(I)d/q軸磁鏈方程:COSrI cos()3I+ n：3cos(rI-sin()3-sin(丁，_ 二)3UdUq丿LdidLqiq為常數(shù)，宇f =6 . Y，而=度，p為同步電機(jī)的極對數(shù)，3 c為電角速度，e0為空載反電動(dòng)勢，其值為每項(xiàng) 繞組反電動(dòng)勢的倍。芆其中，書f為永磁體產(chǎn)生的磁鏈,是機(jī)械角速螁(3)轉(zhuǎn)矩方程:羀Te肆把它帶入上式可得：fiq(Ld -Lq)idiq3p fiq |P(Ld -Lq)idiq螁對于上式，前一項(xiàng)是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩；后一項(xiàng)是 轉(zhuǎn)莁子突極效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩，若 轉(zhuǎn)矩方程為：Ld=Lq，則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí),Tl P f

4、iq二 ktiq螄這里，kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，二三p-： f。2袁（4）機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：蒈B m Tldt芆其中，是電機(jī)轉(zhuǎn)速，Tl是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J是總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括電機(jī)慣量和負(fù)載慣量），B是摩擦系數(shù)。薃（三）（四）羈直線電機(jī)原理衿永磁直線同步電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變，相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定 子和動(dòng)子沿軸向剖開，然后將電機(jī)展開成直線，由定子演變而來的一側(cè)稱為初級， 轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。由此得到了直線電機(jī)的定子和動(dòng)子，圖1為其轉(zhuǎn) 變過程。羈直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的演變， 在工作原理上也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。 在旋轉(zhuǎn)的三相繞組中通入三相正弦交流電后，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣隙 磁場，旋轉(zhuǎn)磁

5、場的轉(zhuǎn)速（又叫同步轉(zhuǎn)速）為：薆ns60f (r/mi n)P(1-1)肁其中，f 交流電源頻率，P 電機(jī)的極對數(shù)。芀如果用v表示氣隙磁場的線速度，則有：2p蒅v 二 ns2 f （mm/ s）（ 1-2）60莄其中，為極距。賺當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)形式以后，如果不考慮鐵芯兩端開斷引起的縱向邊端效應(yīng)，此氣隙磁場沿直線運(yùn)動(dòng)方向呈正弦分布，當(dāng)三相交流電隨時(shí)間變化時(shí)， 氣隙磁場由原來的圓周方向運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠刂本€方向運(yùn)動(dòng)， 次級產(chǎn)生的磁場和初級的 磁場相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。在直線電機(jī)當(dāng)中我們把運(yùn)動(dòng)的部分稱為動(dòng)子， 對應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。這個(gè)原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，二者的差異是：直線電機(jī)的 磁場是平移的，而

6、不是旋轉(zhuǎn)的，因此稱為行波磁場。這時(shí)直線電機(jī)的同步速度為 V=2f T,旋轉(zhuǎn)電機(jī)改變電流方向后，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，同樣的方法可以 使得直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。腿圖1永磁直線同步電機(jī)的演變過程次級V S/N行波磁場初級芁圖2直線電機(jī)的基本工作原理肁對永磁同步直線電機(jī)，初級由硅鋼片沿橫向疊壓而成，次級也是由硅鋼片疊壓而成，并且在次級上安裝有永磁體。根據(jù)初級，次級長度不同，可以分為短初級-長次級結(jié)構(gòu)和長初級-短次級的結(jié)構(gòu)。對于運(yùn)動(dòng)部分可以是電機(jī)的初級，也可以是電機(jī)的次級，要根據(jù)實(shí)際的情況來確定?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3所示，永磁同步直 線電機(jī)的速度等于電機(jī)的同步速度：(1-3)Id軸IIq軸N1 1SrmAC

7、-2 B !A-CBi膆芁圖3 PMLSM 的基本結(jié)構(gòu)羋（五）（六）莇矢量控制（磁場定向控制技術(shù)）羅矢量控制技術(shù)是（磁場定向控制技術(shù)）是應(yīng)用于永磁同步伺服電機(jī)的電流（力 矩）控制，使得其可以類似于直流電機(jī)中的電流（力矩）控制。莀矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。蠆坐標(biāo)變換需要坐標(biāo)系，變化整個(gè)過程給出三個(gè)坐標(biāo)系：1）2）聿靜止坐標(biāo)系（a，b，c）:定子三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的 a，b， c三軸上；3）4）蚄靜止坐標(biāo)系（a , B）：在（a, b, c）平面上的靜止坐標(biāo)系，且a軸與 a軸重合，B軸繞a軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度；5）6）蒀旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q ）:以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。I肀矢量控制

8、技術(shù)對電流的控制實(shí)際上是對合成定子電流矢量：s的控制，但是對I合成定子電流矢量is的控制的控制存在以下三個(gè)方面的問題：2）蕆Ts是時(shí)變量，如何轉(zhuǎn)換為時(shí)不變量?3）4）蒃如何保證定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢之間始終保持垂直？5）6）薀Ts是虛擬量，力矩T的控制最終還是要落實(shí)到三相電流的控制上，如 何實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換？蒁is從靜止坐標(biāo)系（a, b, c）看是以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的，而從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q） 上看是靜止的，也就是從時(shí)變量轉(zhuǎn)化為時(shí)不變量，交流量轉(zhuǎn)化為直流量。艿所以，通過Clarke和Park坐標(biāo)變換（即3/2變換），實(shí)現(xiàn)了對勵(lì)磁電流id和II轉(zhuǎn)矩電流iq的解耦。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中，is已經(jīng)成為了一

9、個(gè)標(biāo)量。令is在 q軸上（即讓id=0），使轉(zhuǎn)子的磁極在d軸上。這樣，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）中， 我們就可以象直流電機(jī)一樣，通過控制電流來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 且解決了以上三 個(gè)問題中的前兩個(gè)。蒆但是，id、iq不是真實(shí)的物理量，電機(jī)的力矩控制最終還是由定子繞組電流ia、ib> ic（或者定子繞組電壓 ua、ub、uc）實(shí)現(xiàn)，這就需要進(jìn)行 Clarke和Park坐標(biāo) 逆變換。且解決了以上三個(gè)問題中的第三個(gè)。蝕力矩回路控制的實(shí)現(xiàn)：薈荿膄螀 薈 裊 芄羆1）2） 薄圖中電流傳感器測量出定子繞組電流ia,ib 作為 clarke 變換的輸入， ic可由三相電流對稱關(guān)系 ia+ib+ic=0 求出。

10、3）4）莃clarke變換的輸出i a ,i B ，與由編碼器測出的轉(zhuǎn)角 作為park變換的 輸入，其輸出 id 與 iq 作為電流反饋量與指令電流 idref 及 iqref 比較，產(chǎn) 生的誤差在力矩回路中經(jīng) PI 運(yùn)算后輸出電壓值 ud,uq。5）6）莈再經(jīng)逆park逆變換將這ud,uq變換成坐標(biāo)系中的電壓u a ,u B。7）8）螈SVPWM算法將u a ,uB轉(zhuǎn)換成逆變器中六個(gè)功放管的開關(guān)控制信號以 產(chǎn)生三相定子繞組電流。（七）（八）莃電流環(huán)控制蒃交流伺服系統(tǒng)反饋分為電流反饋、速度反饋和位置反饋三個(gè)部分。其中電流 環(huán)的控制是為了保證定子電流對矢量控制指令的準(zhǔn)確快速跟蹤。蝿電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，

11、 SVPWM 控制算法的實(shí)現(xiàn)主要集中在電流環(huán)上，電流環(huán)性能指標(biāo)的好壞，特別是動(dòng)態(tài)特性，將全面影響速度、位置環(huán)。膆PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)：1）2）莆P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量；3）4) 薃而 PI 調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān) , 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決 定的。后面需要 PI 調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值 , 它就能提供多少 , 直 到飽和為止。膀電流環(huán)常采用 PI 控制器，目的是把 P 控制器不為 0 的靜態(tài)偏差變?yōu)?0。電流 環(huán)控制器的作用有以下幾個(gè)方面：5)6) 袈內(nèi)環(huán)；在外環(huán)調(diào)速的過程中， 它的作用是使電流緊跟其給定電流值 (即 外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出) ；7)8) 膅對電網(wǎng)電

12、壓波動(dòng)起及時(shí)抗干擾作用；9)10) 薃在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中(起動(dòng)、升降速)中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流 -即加速了動(dòng)態(tài)過程；11)12) 薁過載或者賭轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。蒞電流環(huán)的控制指標(biāo)主要是以跟隨性能為主的。在穩(wěn)態(tài)上，要求無靜差；在動(dòng) 態(tài)上，不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)， 以保證電流電流在動(dòng)態(tài) 過程中不超過允許值。羄雙閉環(huán)電機(jī)調(diào)速過程中所希望達(dá)到的目標(biāo)：1)2) 蚃起動(dòng)過程中 : 只有電流負(fù)反饋 , 沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。3)4) 蚈達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 : 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主導(dǎo)作用 ; 電流負(fù)反饋僅為電流隨動(dòng)子系 統(tǒng)。肇雙閉環(huán)電機(jī)具體工作過程：根據(jù)檢測模塊得到的速度

13、值和電流值實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn) 速控制。當(dāng)測量的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)， 速度調(diào)節(jié)器的積分作用使速度環(huán)輸 出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使 PWM 占空比增加，電動(dòng)機(jī)電流 增加，從而使電機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩， 電機(jī)轉(zhuǎn)速上升； 當(dāng)測量的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn) 速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速度環(huán)的輸出減小， 電流給定下降， 并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使 PWM 占空比減小， 電機(jī)電流下降， 從而使電機(jī)因電磁轉(zhuǎn)矩的減小而減速。 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器處于飽和狀態(tài)時(shí)， 速度環(huán)輸出達(dá)到限幅值， 電流環(huán)即以最大限制電流實(shí)現(xiàn)電機(jī) 加速，使電機(jī)以最大加速度加速。螂電流環(huán)的主要影響因素有：電流調(diào)節(jié)器參數(shù)、反電動(dòng)勢、電流調(diào)節(jié)器零點(diǎn)漂 移。電流調(diào)節(jié)器的參

14、數(shù)中，比例參數(shù) Kp越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快，同時(shí)超調(diào)也 大，因此，在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)該根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選擇 Kp ；而積分系數(shù)Ti越大, 電流響應(yīng)穩(wěn)態(tài)精度就越高。（九）（十）螃弱磁控制肇所謂弱磁控制和強(qiáng)磁控制是指通過對電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行的控制。弱磁”就是勵(lì)磁電流小于額定勵(lì)磁電流；強(qiáng)磁”則是比額定勵(lì)磁電流大的勵(lì)磁電流。薅強(qiáng)磁控制又稱為強(qiáng)勵(lì)控制，主要用在發(fā)電機(jī)短路保護(hù)或欠電壓保護(hù)方面。當(dāng) 發(fā)電機(jī)端電壓接近于0或下降太多，此時(shí)需要通過強(qiáng)行勵(lì)磁，可使發(fā)電機(jī)的端電 壓升高，輸出電流增大，觸發(fā)保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。螅弱磁控制則主要是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁調(diào)速用，發(fā)電機(jī)弱磁控制則主要是指由直 流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的G-M拖動(dòng)系統(tǒng)，為了得到軟的或下墜的機(jī)械特性時(shí) 才使用。袃（十一）（十二）葿電流傳感器芇霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場 有關(guān)的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)， 是由霍爾元件和它的 附屬電路組成的集成傳感器。霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有 著非常廣泛的應(yīng)用。薄霍爾效應(yīng)：如圖1所示，在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂 直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn) 生電勢差為U的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為：Uh二k些d蚅 式中d為薄片的