永磁交流伺服技术

第一讲永磁同步电动机控制基本原理

高波  沈靖  王贵  (哈尔滨工业大学150001)

    【编者按】围绕永磁同步电动机的控

制技术展开。对以pmsm为伺服电机的交流伺服系统及其控制进行较细致的说明。讲座分为四个专题，内容包括永磁同步电动机控制的基本原理、伺服控制器的设计方法及控制策略、伺服系统的构成及实现和pmsm伺服技术的应用，旨在使读者对永磁交流伺服技术有一个系统的了解。

    随着钐钴、稀土、钕铁硼等新型永磁材料的出现，永磁电机在很大程度上得到了发展和完善，用于各种场合。尤其在伺服领域，在电伺服逐渐取代液压伺服的潮流中，以永磁交流电机作为伺服电机的伺服系统越来越得到人们的青睐，因为它不仅具有普通交流伺服系统坚固耐用、维护方便等优点，而且兼备了直流伺服系统所有优良的控制特性。

    在永磁交流伺服系统中，应用较为普遍的永磁交流伺服电机主要有两类：一类为无刷直流电动机；另一类为永磁同步电动机。前者采用方波电流驱动，后者是三相正弦波电流驱动。尽管bdcm伺服系统有转子位置传感器简单、成本较低、材料利用率高、控制简单等优点，但由于其原理上存在固有缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用一般精度及性能要求的场合；而pmsm伺服系统能克服bdcm系统的不足，常用于高精度、高性能要求的场合。目前国内外对永磁交流伺服技术的研究主要集中在pmsm伺服系统上，因此本讲座将围绕pmsm对永磁交流伺服技术进行阐述。

1永磁同步电动机基本结构

    永磁同步电动机与一般感应式同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成，且电枢绕组常以“y”连接；在转子结构上，pmsm是用永磁体取代感应式同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷；与普通电机相比，pmsm还必须装有转子永磁体磁极位置检测器，用来检测磁极位置，从而以此对电枢电流进行控制，达到对pmsm伺服控制的目的。为保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器作为pmsm的转子位置检测器，与pmsm转子同轴连接，图1是永磁同步电机的结构图。

    根据永磁体在转子上安装位置的不同，pmsm转子可分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式，如图2所示。

    图2a、b两种结构可减小转子直径，从而降低转动惯量；若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，利于电机动态性能的改善，一般pmsm多采用这两种形式的转子结构。内埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部，它的机构强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制的高速运行场合。

    为便于控制，pmsm的定子绕组常采用短距分布绕组，气隙磁场设计为正弦波，以产生正弦波反电势。

2 pmsm控制基本原理

    任何电机调速控制的关键是对其转矩的控制，转速是通过转矩改变的，对于pmsm也是一样。在pmsm伺服系统中，无论是速度伺服控制还是位置伺服控制，都可转化为对pmsm的转矩控制，因此在电伺服技术中，转矩控制是个重点。对于pmsm控制的基本原理，其实质就是pmsm的转矩控制原理，为了更好地阐述这一基本原理，先分析pmsm转矩产生原理。图3是具有一对磁极的pmsm空间矢量图。

    图中f_r为转子磁势空间矢量，由于转子是永磁体励磁，故f_r=const；f_s是给定子通三相正弦交流电时产生的定子磁势，f_r与f_s的夹角δ为转矩角。当定转子磁极轴线重合，即δ=0或δ=π时，两磁极系统处于稳定或不稳定平衡状态；δ=0是稳定平衡状态(见图3b)，此时只存在平衡磁拉力，而无任何转

动趋势；δ=π时是不稳定平衡状态，稍有摆动即回复到δ=0状态，可见这两种状态下，电机不能旋转。为使电机连续旋转，必须保持δ≠0(见图3c)，这样才能产生转矩和维持运动。根据电磁学原理，电机转矩正比于定、转子磁势矢量的幅值与其夹角δ的正弦的乘积，即：

    可见，δ=90^o时，t有****值，在对pmsm的控制中，应使f_s⊥f_r才能得到****的转矩输出。在图3a中，若在转子上建立如图所示的dq轴系，令θ₀为d轴与定子a相绕组轴线夹角，三相定子电流分别为i_a、i_b、i_c，则：

w1为定子一相绕组匝数，若以d轴为参考坐