永磁同步电机控制系统之控制系统的基本特点

1万 · 2017-10-30 21:11

目前广泛的应用中，永磁同步电机按照其电枢绕组所流过的电流波形分类，有两种基本形式。一种是方波或梯形波供电的永磁无刷直流电机（BDCM）,另外一种正弦波供电的交流永磁同步电机（PMSM）。永磁无刷直流电机绕组中流过方波或梯形波电流，具有与传统直流电机相媲美的优良调速控制性能，并且该电机四轴飞行器械换向器与电刷，电机和变频器结构及其控制均比较简单，成本较低。正弦波永磁同步电机的定子绕组结构为三相对称正弦波绕组，转子结构为表面贴装式永磁结构或者内嵌式永磁结构。正弦波永磁同步电机定子绕组感应的电势为正弦波，当给电机定子绕组通入三相对称正弦波电流时，电机将产生连续的电磁转矩。这两种电机的理想定子电流波形如下图所示。

正弦波和方波永磁同步电机对比如下表所示：

1万 · 2017-11-7 22:31

正弦波和方波永磁同步电机对比如下表所示：

1万 · 2017-11-7 22:31

从电机转子结构形式来分，交流永磁同步电机可分为将永磁磁铁粘贴在转子表面的表面式永磁同步电机和永磁磁铁嵌在转子内部的内永磁同步电机，交流永磁同步电机转子结构式参考如下图所示。永磁无刷胆脂瘤电机的转子结构通常采用表面永磁结构，无凸极效应。

1万 · 2017-11-7 22:33

永磁无刷直流电机中，定子绕组的感应电势为梯形波，为了获得连续的电磁转矩，电机定子绕组一般采取六阶梯形波供电方式，如下图所示。无刷直流电机的绕组感应电势正比于电机转速，输出例句正比于电机输入电流，其输出特性与直流电机相似。

永磁无刷直流电机定子绕组中的感应电势和电流波形

1万 · 2017-11-7 22:33

正弦波永磁同步电机的定子电流相量、电压相量和空间磁势矢量智见的相互关系可以再同步旋转坐标中表示。在于转子同步旋转的d、q坐标系中，选择d轴和转子励磁磁场方向相同，超前于d轴90°（电角度）为q轴，根据正弦波永磁同步电机理论分析，永磁同步电机的电磁转矩可以写成：
Te=Pn[Ψfiq+(Ld-Lq)idiq]
式中，Pn——电机定子绕组的极对数
         Ld、Lq——电机直轴和交轴同步电感；
         Ψf——永磁磁极产生的与电机定子交链的磁链；
         id、iq——在dq0同步旋转坐标系中定子电流的直轴与交轴分量；
         Te——电机输出的电磁转矩。

1万 · 2017-11-7 22:33

由上面的公式表明，正弦波永磁同步电机的电磁转矩包括两部分：
（1）由永磁体励磁磁场与电机定子电流的交轴分量所产生的同步电磁转矩，这一部分转矩，由于永磁体励磁磁链恒定，该转矩正比于电机定子交流电流分量iq。
（2）磁阻转矩，它与电机凸极系数有关，与电机直轴和交轴电感之差与直轴和交轴电流乘积成正比。

1万 · 2017-11-7 22:34

表面永磁同步电机与内永磁同步电机的电磁特性不同，表面永磁同步电机的直轴与交轴电感相等，无凸极效应，自然就不存在磁阻转矩，只有和交轴电流成正比的同步电磁转矩。其转矩功角特性如下图1所示，电机最大转矩出现在功角为π/2时，此时id=0。内永磁同步电机的直轴上埋有永久磁体，直轴磁链需要穿过气隙和永久磁铁，存在很大的磁阻。而交轴上午永磁材料，交轴磁链只穿过气隙，磁阻相对较小，Lq＞Ld，则因内永磁同步电机直轴与交轴电感不相等就存在凸极效应，产生磁阻转矩。由于磁阻转矩的出现，使得内永磁同步电机的转矩功角特性与表面永磁同步电机不同，特性如图2所示，电机最大转矩不是出现在功角π/2时，即id=0时，而是出现在功角大于π/2时，并且该电机最大电磁转矩大于表面永磁同步电机的最大电磁转矩。因此永磁同步电机具有比表面永磁同步电机优良的调速控制特性。在两图中，1为同步转矩，2为磁阻转矩，3为合成转矩。

图1 表面式永磁同步电机转矩功角特性图2 内永磁同步电机转矩功角特性