第10章-三相永磁同步電動機資料課件

第10章三相永磁同步電動機

的建模與分析第10章三相永磁同步電動機

的建模與分析內(nèi)容簡介：涉及下列兩類永磁同步電動機基本運行原理、電磁過程、數(shù)學(xué)模型及運行特性正弦波永磁同步電動機梯形波永磁同步電動機（永磁無刷直流電動機）永磁同步電動機的優(yōu)缺點：

功率密度高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小運行效率高轉(zhuǎn)軸上無滑環(huán)和電刷

轉(zhuǎn)子勵磁無法靈活控制永磁體存在失磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)子磁勢受環(huán)境溫度影響滯后定子功率因數(shù)內(nèi)容簡介：涉及下列兩類永磁同步電動機基本運行原理、電磁過程、分類：表面永磁同步電動機內(nèi)置式永磁同步電動機按永磁體結(jié)構(gòu)分類按定子繞組感應(yīng)電勢波形分類

正弦波永磁同步電動機(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)

梯形波永磁同步電動機(BrushlessDCMotor,BLDC)分類：表面永磁同步電動機按永磁體結(jié)構(gòu)分類按定子繞組感應(yīng)電勢波10.1正弦波永磁同步電動機圖10.1正弦波永磁同步電動機的基本組成框圖

10.1正弦波永磁同步電動機圖10.1正弦波永磁同步電10.1.1正弦波PMSM的基本運行原理定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,拖動永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn);定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速由光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器獲得;正弦波PMSM屬于自控式、無刷結(jié)構(gòu)同步電動機10.1.1正弦波PMSM的基本運行原理定子三相繞組采用正10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點與矩角特性表面永磁同步電動機內(nèi)置式永磁同步電動機1.正弦波表面永磁PMSM圖10.2表面永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點與矩角特性表面永磁同A、表面永磁同步電動機的特點：永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低；有效氣隙較大，則同步電抗小，電樞反應(yīng)?。粴庀毒鶆?，呈現(xiàn)隱極式同步電機的特點，即：。B、電壓平衡方程式與相量圖（10-1）圖10.3正弦波表面永磁同步電動機的時空相量圖A、表面永磁同步電動機的特點：永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面，轉(zhuǎn)子C、矩角特性：（10-2）式中，；為轉(zhuǎn)子永磁磁場在定子繞組內(nèi)所匝鏈的磁鏈，且。對永磁同步電動機，=常數(shù)。

鑒于上述特點，表面永磁PMSM基本運行在恒勵磁狀態(tài)，相應(yīng)的電動機運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，其弱磁調(diào)速范圍很小。C、矩角特性：（10-2）式中，2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動機2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，適用于高速運行場合；有效氣隙較小，d軸和q

軸的同步電抗均較大，電樞反應(yīng)磁勢較大，從而存在相當大的弱磁空間；直軸的有效氣隙比交軸的大（一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍），因此，直軸同步電抗小于交軸同步電抗，即：

或。A、內(nèi)置永磁同步電動機的特點：B、電壓平衡方程式與相量圖

（10-3）2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動機的時空相量圖C、矩角特性（10-4）圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動機的時空相量圖C、矩角特圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機的矩角特性曲線矩角特性的特點：

對應(yīng)于凸極效應(yīng)的同步轉(zhuǎn)矩：；最大功率角較轉(zhuǎn)子直流勵磁凸極同步電動機大。圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機的矩角特性曲線矩角特性的特點10.1.3正弦波PMSM的起動異步起動轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩(由轉(zhuǎn)子永磁體與其在定子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生)圖10.7永磁同步電動機起動過程中的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線起動過程中的各種電磁轉(zhuǎn)矩:10.1.3正弦波PMSM的起動異步起動轉(zhuǎn)矩圖10.710.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動機根據(jù)相量圖10.3,可得:（10-6）（10-5）

電磁功率:輸入功率:電磁轉(zhuǎn)矩:

對表面永磁同步電動機,=常數(shù),當保持內(nèi)功率因數(shù)角固定不變,通過控制定子繞組相電流的幅值便可以調(diào)整表面永磁PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩。當（亦即與同相）時,上式與直流電機的轉(zhuǎn)矩特性完全相同(見圖10.8).故自控式正弦波表面永磁PMSM有時也稱為無刷直流電動機.

結(jié)論:10.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動圖10.8正弦波表面永磁同步電動機的相量圖(當時）根據(jù)式（10-6）以及結(jié)構(gòu)特點，得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下：當時,單位電樞電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大。因此，（基速）以下，正弦波表面永磁PMSM多采用的控制方式，以獲得恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速特性。在額定轉(zhuǎn)速（基速）以上，表面永磁同步電動機可以工作在弱磁調(diào)速范圍內(nèi),但因電樞反應(yīng)以及同步電抗較小,弱磁調(diào)速范圍較窄.圖10.8正弦波表面永磁同步電動機的相量圖(當上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動機的相量圖(弱磁控制時)圖10.10基速以上弱磁控制時的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線弱磁升速過程中的約束條件:(1)外加電壓保持不變,(2)定子繞組電流維持額定值上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動機的相量圖2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM

根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達式，過程如下：（10-7）

輸入功率：電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：（10-8）

2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁

的控制方案；最大的控制方案

；弱磁控制方案；根據(jù)式（10-8）和結(jié)構(gòu)特點：，得內(nèi)置永磁PMSM的幾種常用的控制方案如下：（1）的控制方案：此時，電磁轉(zhuǎn)矩為：

在這種控制方式下，與表面永磁PMSM相同，正弦內(nèi)置永磁PMSM也可通過控制電樞電流的幅值調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩，獲得類似于直流電動機的調(diào)速性能。因此，自控式正弦波內(nèi)置永磁PMSM也是一種無刷直流電動機。結(jié)論：的控制方案；根據(jù)式（10-8）和結(jié)構(gòu)特（2）最大的控制方案：推導(dǎo)過程如下：為了獲得最大（）的控制準則，首先將電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流歸一化。選電磁轉(zhuǎn)矩的基值為：（10-9）其中，電流的基值定義為：（10-10）將式（10-9）、（10-10）代入式（10-8）得：即：（10-11）（10-12）式中，，。由此繪出恒轉(zhuǎn)矩條件下直軸定子電流分量與交軸定子電流分量之間的關(guān)系如圖10.11所示。（2）最大的控制方案：推導(dǎo)過程如下：為了獲得最大圖10.11(圖10.11()最大時的軌跡曲線

根據(jù)圖10.11便可繪出在確保最大準則下,與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線如圖10.12所示

，并由此確定控制策略。圖10.11(圖10.11(圖10.12在()最大的控制方式下，定子電樞電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線

（3）弱磁控制方案：

基速以上，內(nèi)置PMSM運行在弱磁控制方式。由于其氣隙較小同步電抗大，因此其弱磁調(diào)速范圍較表面永磁寬。為了確保弱磁控制時電流控制有效，定子繞組的外加電壓應(yīng)滿足下列條件：（10-13）其中，，。（參考圖10.5)圖10.12在()最大的控制方忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:（10-14）

將上式以及代入式(10-13)得:即:（10-15）

令,,則根據(jù)上式繪出交、直軸電流的關(guān)系曲線如圖10.13所示。忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:（10-圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時與之間的關(guān)系曲線由圖可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，橢圓將收縮。圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖10.1.5正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖110.2無刷永磁直流電動機建模與分析高性能伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床、機器人、載人飛船等；家用電器，如高檔洗衣機、變頻空調(diào)、電動自行車等類型：無刷永磁直流電動機是一種典型的機電一體化電機。

用途：圖10.15永磁無刷直流電動機的系統(tǒng)組成10.2無刷永磁直流電動機建模與分析高性能伺服系統(tǒng)，如數(shù)控定子繞組采用整距、集中繞組；永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面，呈隱極式結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)特點：上述結(jié)構(gòu)特點決定了轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的主磁場波形如圖10.16所示。圖10.16永磁無刷直流電動機的主磁場磁密波形圖定子繞組采用整距、集中繞組；結(jié)構(gòu)特點：上述結(jié)構(gòu)特點決定了轉(zhuǎn)子當轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢波形及電流波形如圖10.17所示。圖10.17永磁無刷直流電動機定子繞組感應(yīng)的相電勢和電流波形當轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢波形及電流10.2.1永磁無刷直流電動機的基本運行原理電刷與機械式換向器的真正作用；定子側(cè)直流電樞磁勢和轉(zhuǎn)子側(cè)電樞反應(yīng)磁勢之間的相互關(guān)系；1.永磁無刷直流電動機的引入直流電動機的運行原理的回顧：著重考慮下列兩個問題：10.2.1永磁無刷直流電動機的基本運行原理電刷與機械式換直流電動機內(nèi)部電磁過程的特點總結(jié)：

定子側(cè)為靜止的主極勵磁磁勢；轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電刷的直流電源供電，內(nèi)部繞組電流以及感應(yīng)的電勢為交流。由換向器和電刷完成上述逆變過程的轉(zhuǎn)換；電刷是電樞電流的分界線，其位置決定了轉(zhuǎn)子電樞電流的換流時刻。因此，電刷與換向片配合起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用；盡管轉(zhuǎn)子在不停的旋轉(zhuǎn)，但由于電刷相對主極靜止不動，因此，電樞磁勢與主極磁勢相對靜止；電樞磁勢與主極磁勢空間互相垂直，確保了直流電動機可以產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩；直流電動機內(nèi)部電磁過程的特點總結(jié)：定子側(cè)為靜止的主極勵磁磁通過電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換；通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，完成換向片與電刷的作用，以決定換流時刻；考慮到實現(xiàn)的方便性，定、轉(zhuǎn)子位置顛倒，組成反裝式直流電動機。直流電動機的不足：

電刷的磨損與維護；機械式換向火花，限制了應(yīng)用場合；難以實現(xiàn)高速運行；解決措施：要點總結(jié)：

電刷和換向器起到了與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的機械式逆變器作用；定子側(cè)的直流勵磁磁勢和轉(zhuǎn)子電樞磁勢兩者相對靜止且相互垂直；通過電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換；直流電動機的不足：定子三相繞組由電子式逆變器供電，供電頻率和換流時刻取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器——同步的需要；定子電樞繞組磁勢與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢均以同步速旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止且空間相互垂直——最大轉(zhuǎn)矩的需要；電機本體為交流永磁同步電動機；無刷直流電動機的特點總結(jié)：定子三相繞組由電子式逆變器供電，供電頻率和換流時刻取決于轉(zhuǎn)子2.永磁無刷直流電動機的基本運行原理

下面借助于圖10.15說明永磁無刷直流電動機的定子電樞磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢相對靜止且空間相互垂直的具體實現(xiàn)。圖10.15中,電力電子變流器的開關(guān)規(guī)律(又稱為導(dǎo)通型):

每隔換流一次;

任何瞬時有兩只開關(guān)器件同時導(dǎo)通；每個開關(guān)器件導(dǎo)通

即:

由此繪出一個周期內(nèi)定子三相繞組在不同時刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的關(guān)系如圖10.8所示。2.永磁無刷直流電動機的基本運行原理下面借助于圖1圖10.18定子繞組的合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢之間的空間相位關(guān)系圖10.18定子繞組的合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢之間的空間相位關(guān)在一個周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個定子合成磁勢；轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過電角度，定子繞組則換流一次，相應(yīng)的定子合成磁勢就跳變一次。每個定子合成磁勢在時間上持續(xù)1/6周期（電角度）；在這六個連續(xù)跳變的定子合成磁勢作用下，轉(zhuǎn)子永磁磁勢隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；盡管定子合成磁勢是跳變的，但其平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步，亦即在平均意義上與相對靜止。從而保證了有效電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速。電樞磁勢在與轉(zhuǎn)子磁極軸線垂直的電角度范圍內(nèi)變化，亦即使兩者之間的夾角在~范圍內(nèi)變化。

這樣，無論是在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，與之間的夾角在平均意義上接近，亦即在平均意義上互相垂直。結(jié)論：在一個周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個定子合成磁勢；結(jié)論：

無論在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，定子合成磁勢轉(zhuǎn)子磁磁勢之間的夾角在平均意義上接近，亦即在平均意義上互相垂直。上述結(jié)論的說明：(以T6、T1向T1、T2換流為例說明）(a)T6、T1導(dǎo)通時圖10.18(T6、T1)導(dǎo)通時定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的空間相位關(guān)系圖10.19()向()換流前定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的空間相位關(guān)系由上述兩圖可見:(a)T1、T2導(dǎo)通時無論在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，定

永磁無刷直流電動機具有和直流電動機完全相同的功能和電磁關(guān)系，從而決定了其機械特性和調(diào)速性能與直流電動機的相似性。結(jié)論：永磁無刷直流電動機的不足之處：

定子（或電樞）僅有三相繞組，相當于具有三個電樞繞組和三個換向片的直流電動機，因而存在轉(zhuǎn)矩脈動問題。

永磁無刷直流電動機具有和直流電動機完全相同的功能和電10.2.2永磁無刷直流電動機逆變器的各種控

制方式“導(dǎo)通型”（兩兩導(dǎo)通控制方式）；“導(dǎo)通型”（三三導(dǎo)通控制方式）；“導(dǎo)通型”（兩三輪流導(dǎo)通控制方式）；PWM電壓和電流控制方式1、三三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)開關(guān)規(guī)律：。

每隔換流一次；任何瞬時有三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通；每個開關(guān)器件導(dǎo)通

。10.2.2永磁無刷直流電動機逆變器的各種控

制方式“即：相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：圖10.20無刷直流電動機的定子合成磁勢(導(dǎo)通型)即：相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：圖10.20無刷直流電2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)每隔換流一次；任何瞬時有三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通，然后變?yōu)閮芍婚_關(guān)器件同時導(dǎo)通，再變回三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通，……；

每個開關(guān)器件導(dǎo)通。

開關(guān)規(guī)律：即：相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)每隔換流一圖10.21無刷直流電動機的定子合成磁勢(導(dǎo)通型)圖10.21無刷直流電動機的定子合成磁勢(3、PWM電壓和電流控制方式

改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實現(xiàn)調(diào)壓,并利用來自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息控制逆變器的頻率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；保持逆變器直流側(cè)輸入電壓不變，利用來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息和PWM斬波控制同時調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。以導(dǎo)通型為例加以說明:永磁無刷直流電動機的調(diào)速方案:3、PWM電壓和電流控制方式改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實反饋控制：上、下橋臂的主開關(guān)器件同時斬波調(diào)整電機端的輸出電壓；續(xù)流控制：僅上橋臂（或下橋臂）的主開關(guān)器件斬波調(diào)整電機端的輸出電壓；PWM斬波控制方案：PWM斬波控制的用途：

永磁無刷直流電動機的起動；永磁無刷直流電動機的調(diào)速。反饋控制：上、下橋臂的主開關(guān)器件同時斬波調(diào)整電機端的輸出電壓10.2.3永磁無刷直流電動機的穩(wěn)態(tài)模型與機械特性以導(dǎo)通型為例加以說明:忽略各種損耗，則有：（10-16）即：

（10-17）又：（10-18）參考圖10.15,由KVL得:（10-19）將式（10-18）代入（10-17）得：（10-20）10.2.3永磁無刷直流電動機的穩(wěn)態(tài)模型與機械特性以將式（10-20）代入（10-19）得：（10-21）于是得機械特性為:（10-22）若采用PWM斬波控制,則按同樣的過程可得相應(yīng)的機械特性為::（10-23）式中,表示PWM的占空比；根據(jù)式(10-23)繪出永磁無刷直流電動機的機械特性如圖10.22所示.將式（10-20）代入（10-19）得：（10-21）于是得圖10.22永磁無刷直流電動機在不同占空比下的機械特性10.2.4永磁無刷直流電動機的動態(tài)模型利用圖10.15，并根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL）得定子各相繞組的電壓方程為：圖10.22永磁無刷直流電動機在不同占空比下的機械特性1（10-24）若定子繞組采用Y接,且無中線,則有:于是有:（10-25）（10-26）將上式代入式（10-24）得無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間表達式為：其中，。（10-24）若定子繞組采用Y接,且無中線,則有:于是有:無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和動力學(xué)方程式分別為：

（10-28）

（10-29）10.2.5永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的組成1.永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置的檢測與信號處理以導(dǎo)通型為例加以說明:

對永磁無刷直流電動機，僅需要得到三個離散點的轉(zhuǎn)子位置信息，便可以獲得控制六個主開關(guān)器件換流所需的控制信號。

為了確定轉(zhuǎn)子位置傳感器的安裝位置，圖10.23給出了六個主開關(guān)器件依次導(dǎo)通時所產(chǎn)生的定子合成磁勢。無刷直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和動力學(xué)方程式分別為：（10-28圖10.23無刷直流電動機的定子合成磁勢位置(導(dǎo)通型)

綜合分析，轉(zhuǎn)子位置傳感器應(yīng)分別放置在三個位置（即轉(zhuǎn)子位置傳感器應(yīng)放置在偏離各相繞組軸線（電角度）的位置上）。

將轉(zhuǎn)子位置傳感器經(jīng)譯碼電路處理，便可獲得逆變器的六個主開關(guān)所需要的換流控制信號，如圖10.24所示。圖10.23無刷直流電動機的定子合成磁勢位置(圖10.24霍爾傳感器產(chǎn)生的三個位置信息圖10.24霍爾傳感器產(chǎn)生的三個位置信息2.永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.25無刷直流電動機采用PWM反饋控制方式的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.25無刷直10.2.6永磁無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機的比較從結(jié)構(gòu)上看：對于永磁無刷直流電機，其定子三相采用集中、整矩繞組，而轉(zhuǎn)子永磁體則采用表面瓦片式結(jié)構(gòu)，永磁體厚度均勻；對于正弦波永磁PMSM，其定子三相則采用分布、正弦繞組，轉(zhuǎn)子永磁體主要有兩大類：一類是表面永磁結(jié)構(gòu)；另一種為內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)均可確保氣隙磁密的波形接近正弦。從轉(zhuǎn)子位置傳感器上看：對于永磁無刷直流電機，僅需提供六個（通常為三個）離散的轉(zhuǎn)子位置反饋信息即可；對于正弦波永磁PMSM

，需要提供連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置反饋信息

。從所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩看：永磁無刷直流電機存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動

；正弦波永磁PMSM所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩基本上是恒定的。從體積和重量角度看：

永磁無刷直流電動機的功率密度是永磁同步電動機的1.15倍。

10.2.6永磁無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機的比較謝謝！謝謝！第10章三相永磁同步電動機

的建模與分析第10章三相永磁同步電動機

的建模與分析內(nèi)容簡介：涉及下列兩類永磁同步電動機基本運行原理、電磁過程、數(shù)學(xué)模型及運行特性正弦波永磁同步電動機梯形波永磁同步電動機（永磁無刷直流電動機）永磁同步電動機的優(yōu)缺點：

功率密度高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量小運行效率高轉(zhuǎn)軸上無滑環(huán)和電刷

轉(zhuǎn)子勵磁無法靈活控制永磁體存在失磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)子磁勢受環(huán)境溫度影響滯后定子功率因數(shù)內(nèi)容簡介：涉及下列兩類永磁同步電動機基本運行原理、電磁過程、分類：表面永磁同步電動機內(nèi)置式永磁同步電動機按永磁體結(jié)構(gòu)分類按定子繞組感應(yīng)電勢波形分類

正弦波永磁同步電動機(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)

梯形波永磁同步電動機(BrushlessDCMotor,BLDC)分類：表面永磁同步電動機按永磁體結(jié)構(gòu)分類按定子繞組感應(yīng)電勢波10.1正弦波永磁同步電動機圖10.1正弦波永磁同步電動機的基本組成框圖

10.1正弦波永磁同步電動機圖10.1正弦波永磁同步電10.1.1正弦波PMSM的基本運行原理定子三相繞組采用正弦繞組;由三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,拖動永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn);定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速;轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速由光電式編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器獲得;正弦波PMSM屬于自控式、無刷結(jié)構(gòu)同步電動機10.1.1正弦波PMSM的基本運行原理定子三相繞組采用正10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點與矩角特性表面永磁同步電動機內(nèi)置式永磁同步電動機1.正弦波表面永磁PMSM圖10.2表面永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)10.1.2正弦波PMSM的結(jié)構(gòu)特點與矩角特性表面永磁同A、表面永磁同步電動機的特點：永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低；有效氣隙較大，則同步電抗小，電樞反應(yīng)小；氣隙均勻，呈現(xiàn)隱極式同步電機的特點，即：。B、電壓平衡方程式與相量圖（10-1）圖10.3正弦波表面永磁同步電動機的時空相量圖A、表面永磁同步電動機的特點：永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面，轉(zhuǎn)子C、矩角特性：（10-2）式中，；為轉(zhuǎn)子永磁磁場在定子繞組內(nèi)所匝鏈的磁鏈，且。對永磁同步電動機，=常數(shù)。

鑒于上述特點，表面永磁PMSM基本運行在恒勵磁狀態(tài)，相應(yīng)的電動機運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，其弱磁調(diào)速范圍很小。C、矩角特性：（10-2）式中，2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM圖10.4內(nèi)置永磁同步電動機2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，適用于高速運行場合；有效氣隙較小，d軸和q

軸的同步電抗均較大，電樞反應(yīng)磁勢較大，從而存在相當大的弱磁空間；直軸的有效氣隙比交軸的大（一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍），因此，直軸同步電抗小于交軸同步電抗，即：

或。A、內(nèi)置永磁同步電動機的特點：B、電壓平衡方程式與相量圖

（10-3）2.正弦波內(nèi)置永磁PMSM永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動機的時空相量圖C、矩角特性（10-4）圖10.5正弦波內(nèi)置永磁同步電動機的時空相量圖C、矩角特圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機的矩角特性曲線矩角特性的特點：

對應(yīng)于凸極效應(yīng)的同步轉(zhuǎn)矩：；最大功率角較轉(zhuǎn)子直流勵磁凸極同步電動機大。圖10.6內(nèi)置式永磁同步電機的矩角特性曲線矩角特性的特點10.1.3正弦波PMSM的起動異步起動轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩(由轉(zhuǎn)子永磁體與其在定子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生)圖10.7永磁同步電動機起動過程中的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線起動過程中的各種電磁轉(zhuǎn)矩:10.1.3正弦波PMSM的起動異步起動轉(zhuǎn)矩圖10.710.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動機根據(jù)相量圖10.3,可得:（10-6）（10-5）

電磁功率:輸入功率:電磁轉(zhuǎn)矩:

對表面永磁同步電動機,=常數(shù),當保持內(nèi)功率因數(shù)角固定不變,通過控制定子繞組相電流的幅值便可以調(diào)整表面永磁PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩。當（亦即與同相）時,上式與直流電機的轉(zhuǎn)矩特性完全相同(見圖10.8).故自控式正弦波表面永磁PMSM有時也稱為無刷直流電動機.

結(jié)論:10.1.4正弦波PMSM的控制1、正弦波表面永磁同步電動圖10.8正弦波表面永磁同步電動機的相量圖(當時）根據(jù)式（10-6）以及結(jié)構(gòu)特點，得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下：當時,單位電樞電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也最大。因此，（基速）以下，正弦波表面永磁PMSM多采用的控制方式，以獲得恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的調(diào)速特性。在額定轉(zhuǎn)速（基速）以上，表面永磁同步電動機可以工作在弱磁調(diào)速范圍內(nèi),但因電樞反應(yīng)以及同步電抗較小,弱磁調(diào)速范圍較窄.圖10.8正弦波表面永磁同步電動機的相量圖(當上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動機的相量圖(弱磁控制時)圖10.10基速以上弱磁控制時的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線弱磁升速過程中的約束條件:(1)外加電壓保持不變,(2)定子繞組電流維持額定值上述結(jié)論的解釋:圖10.9正弦波表面永磁同步電動機的相量圖2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM

根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁PMSM電磁轉(zhuǎn)矩的另一種表達式，過程如下：（10-7）

輸入功率：電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩：（10-8）

2、正弦波內(nèi)置永磁PMSM根據(jù)相量圖10.5,得內(nèi)置永磁

的控制方案；最大的控制方案

；弱磁控制方案；根據(jù)式（10-8）和結(jié)構(gòu)特點：，得內(nèi)置永磁PMSM的幾種常用的控制方案如下：（1）的控制方案：此時，電磁轉(zhuǎn)矩為：

在這種控制方式下，與表面永磁PMSM相同，正弦內(nèi)置永磁PMSM也可通過控制電樞電流的幅值調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩，獲得類似于直流電動機的調(diào)速性能。因此，自控式正弦波內(nèi)置永磁PMSM也是一種無刷直流電動機。結(jié)論：的控制方案；根據(jù)式（10-8）和結(jié)構(gòu)特（2）最大的控制方案：推導(dǎo)過程如下：為了獲得最大（）的控制準則，首先將電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流歸一化。選電磁轉(zhuǎn)矩的基值為：（10-9）其中，電流的基值定義為：（10-10）將式（10-9）、（10-10）代入式（10-8）得：即：（10-11）（10-12）式中，，。由此繪出恒轉(zhuǎn)矩條件下直軸定子電流分量與交軸定子電流分量之間的關(guān)系如圖10.11所示。（2）最大的控制方案：推導(dǎo)過程如下：為了獲得最大圖10.11(圖10.11()最大時的軌跡曲線

根據(jù)圖10.11便可繪出在確保最大準則下,與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線如圖10.12所示

，并由此確定控制策略。圖10.11(圖10.11(圖10.12在()最大的控制方式下，定子電樞電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線

（3）弱磁控制方案：

基速以上，內(nèi)置PMSM運行在弱磁控制方式。由于其氣隙較小同步電抗大，因此其弱磁調(diào)速范圍較表面永磁寬。為了確保弱磁控制時電流控制有效，定子繞組的外加電壓應(yīng)滿足下列條件：（10-13）其中，，。（參考圖10.5)圖10.12在()最大的控制方忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:（10-14）

將上式以及代入式(10-13)得:即:（10-15）

令,,則根據(jù)上式繪出交、直軸電流的關(guān)系曲線如圖10.13所示。忽略定子繞組電阻,并根據(jù)內(nèi)置PMSM的相量圖,則有:（10-圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時與之間的關(guān)系曲線由圖可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，橢圓將收縮。圖10.13在外加電壓約束條件下弱磁控制時圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖10.1.5正弦波PMSM調(diào)速系統(tǒng)的組成圖10.14一種典型的正弦波永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)框圖110.2無刷永磁直流電動機建模與分析高性能伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床、機器人、載人飛船等；家用電器，如高檔洗衣機、變頻空調(diào)、電動自行車等類型：無刷永磁直流電動機是一種典型的機電一體化電機。

用途：圖10.15永磁無刷直流電動機的系統(tǒng)組成10.2無刷永磁直流電動機建模與分析高性能伺服系統(tǒng)，如數(shù)控定子繞組采用整距、集中繞組；永磁體粘接至轉(zhuǎn)子表面，呈隱極式結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)特點：上述結(jié)構(gòu)特點決定了轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的主磁場波形如圖10.16所示。圖10.16永磁無刷直流電動機的主磁場磁密波形圖定子繞組采用整距、集中繞組；結(jié)構(gòu)特點：上述結(jié)構(gòu)特點決定了轉(zhuǎn)子當轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢波形及電流波形如圖10.17所示。圖10.17永磁無刷直流電動機定子繞組感應(yīng)的相電勢和電流波形當轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，三相定子繞組所感應(yīng)的相電勢波形及電流10.2.1永磁無刷直流電動機的基本運行原理電刷與機械式換向器的真正作用；定子側(cè)直流電樞磁勢和轉(zhuǎn)子側(cè)電樞反應(yīng)磁勢之間的相互關(guān)系；1.永磁無刷直流電動機的引入直流電動機的運行原理的回顧：著重考慮下列兩個問題：10.2.1永磁無刷直流電動機的基本運行原理電刷與機械式換直流電動機內(nèi)部電磁過程的特點總結(jié)：

定子側(cè)為靜止的主極勵磁磁勢；轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電刷的直流電源供電，內(nèi)部繞組電流以及感應(yīng)的電勢為交流。由換向器和電刷完成上述逆變過程的轉(zhuǎn)換；電刷是電樞電流的分界線，其位置決定了轉(zhuǎn)子電樞電流的換流時刻。因此，電刷與換向片配合起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用；盡管轉(zhuǎn)子在不停的旋轉(zhuǎn)，但由于電刷相對主極靜止不動，因此，電樞磁勢與主極磁勢相對靜止；電樞磁勢與主極磁勢空間互相垂直，確保了直流電動機可以產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩；直流電動機內(nèi)部電磁過程的特點總結(jié)：定子側(cè)為靜止的主極勵磁磁通過電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換；通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，完成換向片與電刷的作用，以決定換流時刻；考慮到實現(xiàn)的方便性，定、轉(zhuǎn)子位置顛倒，組成反裝式直流電動機。直流電動機的不足：

電刷的磨損與維護；機械式換向火花，限制了應(yīng)用場合；難以實現(xiàn)高速運行；解決措施：要點總結(jié)：

電刷和換向器起到了與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的機械式逆變器作用；定子側(cè)的直流勵磁磁勢和轉(zhuǎn)子電樞磁勢兩者相對靜止且相互垂直；通過電力電子式逆變器完成直流到交流的轉(zhuǎn)換；直流電動機的不足：定子三相繞組由電子式逆變器供電，供電頻率和換流時刻取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器——同步的需要；定子電樞繞組磁勢與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢均以同步速旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止且空間相互垂直——最大轉(zhuǎn)矩的需要；電機本體為交流永磁同步電動機；無刷直流電動機的特點總結(jié)：定子三相繞組由電子式逆變器供電，供電頻率和換流時刻取決于轉(zhuǎn)子2.永磁無刷直流電動機的基本運行原理

下面借助于圖10.15說明永磁無刷直流電動機的定子電樞磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢相對靜止且空間相互垂直的具體實現(xiàn)。圖10.15中,電力電子變流器的開關(guān)規(guī)律(又稱為導(dǎo)通型):

每隔換流一次;

任何瞬時有兩只開關(guān)器件同時導(dǎo)通；每個開關(guān)器件導(dǎo)通

即:

由此繪出一個周期內(nèi)定子三相繞組在不同時刻三相電流所產(chǎn)生的定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的關(guān)系如圖10.8所示。2.永磁無刷直流電動機的基本運行原理下面借助于圖1圖10.18定子繞組的合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢之間的空間相位關(guān)系圖10.18定子繞組的合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢之間的空間相位關(guān)在一個周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個定子合成磁勢；轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過電角度，定子繞組則換流一次，相應(yīng)的定子合成磁勢就跳變一次。每個定子合成磁勢在時間上持續(xù)1/6周期（電角度）；在這六個連續(xù)跳變的定子合成磁勢作用下，轉(zhuǎn)子永磁磁勢隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；盡管定子合成磁勢是跳變的，但其平均轉(zhuǎn)速卻與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步，亦即在平均意義上與相對靜止。從而保證了有效電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步速。電樞磁勢在與轉(zhuǎn)子磁極軸線垂直的電角度范圍內(nèi)變化，亦即使兩者之間的夾角在~范圍內(nèi)變化。

這樣，無論是在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，與之間的夾角在平均意義上接近，亦即在平均意義上互相垂直。結(jié)論：在一個周期內(nèi)三相定子繞組在空間共產(chǎn)生六個定子合成磁勢；結(jié)論：

無論在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，定子合成磁勢轉(zhuǎn)子磁磁勢之間的夾角在平均意義上接近，亦即在平均意義上互相垂直。上述結(jié)論的說明：(以T6、T1向T1、T2換流為例說明）(a)T6、T1導(dǎo)通時圖10.18(T6、T1)導(dǎo)通時定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的空間相位關(guān)系圖10.19()向()換流前定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子永磁磁勢之間的空間相位關(guān)系由上述兩圖可見:(a)T1、T2導(dǎo)通時無論在開關(guān)器件導(dǎo)通過程中還是在換流瞬間，定

永磁無刷直流電動機具有和直流電動機完全相同的功能和電磁關(guān)系，從而決定了其機械特性和調(diào)速性能與直流電動機的相似性。結(jié)論：永磁無刷直流電動機的不足之處：

定子（或電樞）僅有三相繞組，相當于具有三個電樞繞組和三個換向片的直流電動機，因而存在轉(zhuǎn)矩脈動問題。

永磁無刷直流電動機具有和直流電動機完全相同的功能和電10.2.2永磁無刷直流電動機逆變器的各種控

制方式“導(dǎo)通型”（兩兩導(dǎo)通控制方式）；“導(dǎo)通型”（三三導(dǎo)通控制方式）；“導(dǎo)通型”（兩三輪流導(dǎo)通控制方式）；PWM電壓和電流控制方式1、三三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)開關(guān)規(guī)律：。

每隔換流一次；任何瞬時有三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通；每個開關(guān)器件導(dǎo)通

。10.2.2永磁無刷直流電動機逆變器的各種控

制方式“即：相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：圖10.20無刷直流電動機的定子合成磁勢(導(dǎo)通型)即：相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：圖10.20無刷直流電2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)每隔換流一次；任何瞬時有三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通，然后變?yōu)閮芍婚_關(guān)器件同時導(dǎo)通，再變回三只開關(guān)器件同時導(dǎo)通，……；

每個開關(guān)器件導(dǎo)通。

開關(guān)規(guī)律：即：相應(yīng)的定子合成磁勢的空間矢量為：2、三三導(dǎo)通控制方式(又稱為導(dǎo)通型)每隔換流一圖10.21無刷直流電動機的定子合成磁勢(導(dǎo)通型)圖10.21無刷直流電動機的定子合成磁勢(3、PWM電壓和電流控制方式

改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實現(xiàn)調(diào)壓,并利用來自位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息控制逆變器的頻率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；保持逆變器直流側(cè)輸入電壓不變，利用來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的轉(zhuǎn)子信息和PWM斬波控制同時調(diào)節(jié)逆變器的頻率和電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。以導(dǎo)通型為例加以說明:永磁無刷直流電動機的調(diào)速方案:3、PWM電壓和電流控制方式改變逆變器直流側(cè)的輸入電壓實反饋控制：上、下橋臂的主開關(guān)器件同時斬波調(diào)整電機端的輸出電壓；續(xù)