永磁同步电动机三种基本调速方法
同步电机的变频调速系统
图2-3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
2.4
为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。
（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。
（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。
（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。
（4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。
在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。
永磁同步电机反馈线性化控制
基于Matlab的永磁同步电机反馈线性化控制的仿真***（江南大学物联网工程学院，江苏无锡214036）摘要：反馈线性化方法的目的是通过对非线性系统进行精确线性化处理后，将系统变换成线性系统，本文基此提出了永磁同步电机的反馈线性化控制方法，并利用Matlab软件进行了仿真。
在Simulink中搭建了反馈线性化控制模块、坐标变换模块、PMSM本体模块等。
通过对这些模块的有机组合，从而构建了PMSM反馈线性化控制系统的仿真模型，通过相应的示波器观测输出波形，并对仿真结果做了相应的分析。
关键词：PMSM;同步电机；反馈线性化；MatlabA Simulation of the Feedback Linearization Control of PermanentMagnet Synchronous Machine Based on Matlab***(College of Institute of Things, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu 214036，China) Abstract:Feedback linearization method is adopted for dealing with nonlinear systems, and after that it will change nonlinear system to linearization system. This article is based of the proposed, and give a synchronous motor feedback linearization control method, using matlab and software for simulation. In the simulation, we put up the feedback linearization control, coordinate transformation the module of PMSM, etc. Through the organic combination of these modules, we built the simulation model of PMSM feedback linearization control system, and observing the output wave with varied observations, and made an appropriate analysis of the simulation results.Keywords: PMSM; Permanent Magnet Synchronous；Feedback linearization；Matlab引言：同步电机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。
maxwell软件- 调速永磁同步电机
13调速永磁同步电机在用户已经掌握RMxprt 基本使用的前提下，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。
有关RMxprt 的详细介绍请参考第一部分的章节。
13.1基本原理调速永磁同步电机的转子转速是通过调节输入电压的频率来控制的。
与标准的直流无刷电机不同，这种电机不需要位置传感器。
永磁同步电机的转子上安装永磁体（有内转子与外转子之分），定子上嵌有多相电枢绕组，其极数与转子相同。
永磁同步电机既可用作发电机，也可用作电动机。
当电机工作在电动状态时，定子多相绕组可由正弦交流电源供电或由直流电源经DC/AC 变换来供电。
当电机工作在发电状态时，定子多相绕组为负载提供交流电源。
13.1.1 定子绕组正弦交流电源供电永磁同步电机分析方法与三相凸极同步电机相同，电机既可工作在发电状态也可工作在电动状态，通常采用频域矢量图来分析电机的特性。
电机发电状态矢量图如图13.1a ，电机电动状态矢量图如图13.1b 。
发电机b. 电动机图13.1 同步电机相量图图13.1中，R 1、X d 、X q 分别为定子电枢的电阻、d 轴同步电抗和q 轴同步电抗。
aq1q ad 1d X X X X X X +=+=(13.1)上式中，X 1为电枢绕组漏电抗，X ad 和X aq 分别为d 轴电枢反应电抗和q 轴电枢反应电抗。
以输入电压U 为参考矢量， I 滞后U 的角度为φ， 称φ为功率因数角， 则电流矢量为：ϕ-∠=I I(13.2)令I 滞后E 0的角度为ψ。
则可得d 轴和q 轴的电流为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ψψcos sin I I I q d I (13.3)所以：qd 1I I -=tan ψ (13.4)13.1.1.1 发电机模型在图13.1a ，OM 所代表的矢量可表示为：)j j (aq 11X X R OM +++=I U (13.5)OM 所代表的矢量可用来确定E 0的位置。
令U 滞后E 0的角度为θ，对于发电机称θ为功角，则角度ψ为θϕψ+=(13.6)对于给定的功角θ，我们有；⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-θθsin cos U U E I I X R R X 0q d q 11d (13.7)求得I d 和I q 为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡θθθθsin )cos (sin )cos (U X U E R U R U E X X X R 1I I d 0110q qd 21q d(17.8)功率角φ：θψϕ-=(13.9)输出电功率：ϕcos UI 3P 2=(13.10)输入机械功率：)(Fe Cua fw 21P P P P P +++= (13.11)式中P fw 、P Cua 、P Fe 分别为风摩损耗、电枢铜损和铁心损耗输入机械转矩：ω11P T =(13.12)ω为同步角速度rad/s13.1.1.2 电动机模型在图13.1， OM 所代表的矢量可表示为：)j j (aq 11X X R OM ++-=I U (13.5’)OM 所代表的矢量可用来确定E 0的位置。
第三章 同步电动机的变频调速控制
30年代
铝镍钴、铁氧体
差
易去磁
1
2 3
90年代 60年代 后期
铁氧体 稀土永磁： SmC05
3.6~4.0 24 33 38~40
价格低 （稀土的1/10） 热稳定性好 不怕去磁 钴含量高、价格高
70年代 初期
第三代
稀土永磁： SmC017 稀土永磁： 钕铁硼 Nd-Fe-B
我国储量世界第一， 温度可达200℃？
图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过30°的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电 的1/3周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的30°相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前 角 。
结 论
0 0 、 三相式，对转矩最为有利。
矛盾：
晶闸管靠反电势自然换流，要求 0 超前，目前常取 0 60 ，或按负载的 动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为 0 负值，将使输出转矩减小。
二、逆变器晶闸管的换流问题
问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电 源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。 解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。
优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚 至可在 下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管)。 缺点：同步电机本身结构稍微复杂
电机的反馈线性化控制
即
ud Lv1 Rsid r iq L
进而导出
uq
JL v2 Lr id Rsiq f r kc pn
2、PMSM 矢量控制系统模型【2】
在分析 PMSM 数学模型的基础上， 提出了建立 PMSM 矢量控制系统仿真模 型的方法，系统设计框图如图。
根据模块化建模的思想，控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要 包括：反馈线性化控制器模块、PMSM本体模块、坐标变换模。 块等。
2-1PMSM 本体模块【4】
电动机和异步电动机高， 而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而大大地节 约了无功功率，极大地提高了电机的功率因数。因此，永磁同步电动机比异步电 动机节电，效率高。 (2)稀土永磁同步电动机较异步电机尺寸大大减少， 成为高密度， 高效率的电机。 (3)转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性。 永磁同步电动机， 按照定子绕组感应电动势波形的不同，可分为正弦波永磁 同步电动机和梯形波永磁同步电动机， 正弦波永磁同步电动机即通常所说的永磁 同步电动机(PMSM)；梯形波永磁同步电动机又称为无刷永磁直流电动机(BLDC)。 无刷永磁直流电机具有功率密度高，控制简单，反馈装置简单等优点，但由电流 换向引起的转矩纹波是无法消除的，特别，在低速区无刷直流永磁电机的脉动转 矩会引起转速波动， 将严重影响驱动的性能，而正弦永磁电动机产生的转矩脉动 通常低于方波电流永磁电动机。 这是由于正弦永磁同步电动机是由正弦交流供电， 不存在换向时的冲击电流， 通过转子位置检测控制电流相位，可以获得平稳的转 矩特性。所以，对高性能调速系统，最好采用永磁同步电动机调速系统，而不采 用无刷直流电机调速系统。
常用同步电动机
移量小、并要求精确、均匀。这就要求步 进电动机步距角小、步距精度高、不丢步 或失步。 （4）输出转矩大，可直接带动负载。
第50页/共80页
指令
微电脑及电源
步进电动机
控制电脉冲
机床工作台 传动齿轮
丝杠
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二、步进电动机的工作
原理
以三相反应式步进电机为例
6b
B
C
V1b
V6b
→ 控 制 电 子 开 晶体管控制电路
关中
转子位置传感器
晶体管的通断 第26页/共80页 →
１23..→V2e51.m导V导=通3T导通，m，通→B，a→转→过B1Ba20再a0与→转TBe过mf=垂T1m2直00
→Tem=Tm V2
V1
0
V1
IA
IA
Bf
V4 IB
组成：定子有六个磁极，每两 对应的磁
极绕有一相绕组A 。转子有四个
均匀分布 C’
1 B’
的齿，齿宽与2 定子4 磁极极靴宽
度相等。 ’ B
C 3
A’
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1.三相单三拍运行方
单：每次只式有一相绕组通电。
三拍：三次切换为脉冲的一次循 环。
A相通电：磁力线总是力图走磁 A 阻最小的路 1
C’ B’
U U N，f fN，P2 c Im f (I f )
假设：（1）不计Pcu，PFe，Pm，
（2）（隐极机 X d X q X t
P1
）
Pem
mUI cosm
m
E0U Xt
sin m
c
E0 sin m c及I cosm c
运动控制系统-第6章 同步电动机变压变频调速系统
2
当负载转矩加大为 TL4时，转子减速使角θ 增加，电磁转矩 Te减4 小，导致θ继续，最 终，同步电动机转速偏离同步转速，这种 现象称为“失步”。
2
在 的范围 内，2 同步电动机不 能稳定运行，将产 生失步现象。
Te
Te3
Te4
0
3 4
2
图6-4 在 的范围内，
2
Te1
TL1
3U s Es
m xd
sin1
0
2
当负载转矩加大为 时，转子减速使角θ增加，
当 衡，
，电磁 转 2矩 2
和TL负2 载转矩
Te 2
又达到平
TL2
Te 2
TL2
3U s Es
m xd
s in 2
同步电动机仍以同步转速稳定运行。
0
2
若负载转矩又恢复
为 TL1，则角 恢 复
3. 梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直 流电动机——以梯形波永磁同步电动机为 核心的自控变频同步电动机，由于输入方 波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更 接近于直流电动机，但没有电刷，故称无 刷直流电动机。
无刷直流电动机实质 上是一种特定类型的
iA eA eA
同步电动机，气隙磁 场和感应电动势是梯
第6章
同步电动机变压变频 调速系统
同步电动机直接投入电网运行时，存在 失步与起动两大问题，曾一直制约着同 步电动机的应用。同步电动机的转速恒 等于同步转速，所以同步电动机的调速 只能是变频调速。
变频调速的发展与成熟不仅实现了同步 电动机的调速问题，同时也解决了失步 与起动问题，使之不再是限制同步电动 机运行的障碍。
永磁同步电动机的转子用永磁材料制 成，无需直流励磁。
永磁同步电动机弱磁调速控制
1.1 永磁同步电机简介
由于高性能电机控制理论和电力电子技术以及微机控制技术的迅速发展，永磁 (PM)电机以其高效性，高转矩惯量比，高能量密度而得到了更多关注。 PM电机通常分为两类： 永磁无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)。 BLDC 通常具有梯形波反电势波形，如图1.1b)。梯形波反电势由定子集中绕组和方波充磁的 表面磁铁产生。其转子位置的测量可以非常方便地利用反电势的测量得到，控制方式 简单。但存在转矩脉动,换相间存在冲击电流，一般不太适用于高性能驱动。
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ωr
+
ωf
−
PI
Tr
+
dT −
Hystersis controller
ψf
32
4
56
1
ia
ib
Tf
ψf
1
Ψ, T
Controller
VDC ia ib
s
encoder
PMSM
（c） 直接转矩控制器 图 1.3 PMSM 的主要控制方法 1.2.1 VVVF 控制 VVVF控制策略的控制变量为电机的外部变量，即电压和频率。控制系统将参考 电压和频率输入到实现VVVF的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施 加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。逆变器所用的调制方 式为脉冲宽度调制(PWM)。PWM可以有多种不同的实现方式，如空间矢量调制 (SVPWM)。PMSM的VVVF控制方框图如图1.3(a)所示。 这种控制方法无需从电机引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号，属于开环 控制。这种控制系统易于实现且价格低廉。由于系统中不引入速度、位置或其它任何 反馈信号，因此不能即时捕捉电机状态，无法对电机进行精确的电磁转矩控制。由于 仅使用一个调节器实现对输入电压和磁链的调制，将导致输入电压、频率信号和电机 最终的转矩、速度反应之间的通讯速度降低，使电机的响应变慢。这种驱动系统仅适 用于风机、水泵之类无需精确控制的场合。 1.2.2 磁场定向矢量控制 Blaschke在1971年发表了第一篇有关异步电机(IM)的矢量控制(VC)的方法，之后 该方法被应用于PMSM中。这种控制方法目前已经全面发展并在工业上被认为是较成
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永磁同步电动机三种基本调速方法
永磁同步电动机是一种常用的高效率电动机，常用于工业生产中的带载设备。
为了实现电动机的调速，常用以下三种基本调速方法： 1. 电压调制法：该方法通过改变电动机的输入电压来实现调速。
可以通过改变变频器的输出电压来改变电动机的输出电压和频率，从而改变电动机的转速。
该方法的优点是控制简单，响应速度快，但是对于负载变化较大的情况下，调速效果可能不稳定。
2. 磁场调制法：该方法通过改变电动机内部的磁场强度来实现调速。
可以通过改变变频器的输出频率和相位，来改变电动机内部的磁场强度分布，从而改变电动机的转速。
该方法的优点是调速范围广，调速效果稳定，但是控制复杂度较高。
3. 直接转矩控制法：该方法通过直接控制电动机的转矩大小来实现调速。
可以通过改变变频器输出的电流大小和相位，来控制电动机的转矩大小，从而改变电动机的转速。
该方法的优点是调速响应速度快，调速效果稳定，但是对于负载变化较大的情况下，需要进行较为复杂的控制设计。
综上所述，不同的永磁同步电动机调速方法各有优缺点，需要根据实际应用情况选择合适的调速策略。
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