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永磁同步电机的工作原理 论文篇一
1．前言
随着微电子和电力电子技术的飞速发展,越来越多的交流伺服系统采用了数字信号处理器(dsp)
和智能功率模块（ipm),从而实现了从模拟控制到数字控制的转变。空间矢量pwm
调制,它具有线性范围宽,高次谐波少,易于数字实现等优点,在新型的驱动器中得到了普遍应用。永磁同步电机(pm
sm)
具有较高的运行效率、较高的转矩密度、转动惯量小、转矩脉动小、可高速运行等特点,在诸如高性能机床进给控制、位置控制、机器人等领域pmsm得到了广泛的应用。近几年来,国内外学者将空间矢量脉宽调制算法应用于永磁同步电机控制中,并取得了一定的成就。同时,永磁同步电机交流变频调速系统发展也很快,已成为调速系统的主要研究和发展对象。数字仿真技术一直是交流调速系统分析计算的有用工具。但随着对pm
sm
控制技术要求的提高,空间矢量pwm
控制系统成为首选方案。本文对其进行ma
tlab
s
imul
in
k下仿真,并给出了仿真结果。
2．永磁同步电动机矢量控制原理
矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定子电流（交流量）的控制上。由于在定子侧的各个物理量，包括电压、电流、电动势、磁动势等等，都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算都不是很方便。因此，需要借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，站在同步旋转坐标系上进行观察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。按照这些给定量进行实时控制，就可以达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。下面进行详细介绍。
2.1坐标变换理论
矢量变换控制中涉及到的坐标变换有静止三相-
静止二相,以及静止二相-
旋转二相的变换及其逆变换。抽象成坐标系间的关系就是从静止as
-b
s
cs
坐标系向静止a-
b坐标系的变换,以及变量从静止a-
b坐标系向同步速旋转d
q
坐标系变换。现对各坐标轴之间的电流转换公式总结如下：
坐标与坐标转换关系
（1）
坐标与坐标的转换关系
（2）
坐标与坐标转换关系
（3）
（4）
上述几式是电流的转换，电压的转换与电流的转换相同。
（1）～（4）是恒功率变换，恒功率变换中三相坐标和两相坐标中计算得到的功率是相等的。实际中还有一种恒幅值变换，即电流电压的幅值在三相坐标和两相坐标中相等，但功率在两相坐标中需要乘以1.5才是实际功率，控制中使用恒幅值变换感觉更方便一些。
（5）
而且实际中由于三相平衡，往往只检测两相电流，所以还有一种基于恒幅值的u-v=>的变换：
（6）
实际对称三相系统中式（6）使用较多。
2.2永磁同步电动机控制理论
根据永磁同步电动机控制理论，永磁同步电动机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、定子电流也应该为正弦波。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼绕组，那么基于旋转坐标系d，q中的永磁同步电动机定子磁链方程为：
（7）
其中：ψr为转子磁钢在定子上的耦合磁链；ld、lq为永磁同步电动机的d，q轴主电感，id、iq为定子电流矢量的d，q轴主电流。
根据在两相绕组中，旋转坐标系下的永磁同步电机定子电压矢量方程式，整理出永磁同步电动机在d，q轴上两个分量的定子电压方程式：
（8）
其中：vd、vq为定子电压矢量v的d，q轴分量，ωr为转子旋转角速度。
与前面的从两相静止坐标α、β变换到两相旋转坐标d，q一样，直接写出电压回路方程式也要有一定的条件。
在认为旋转坐标系的旋转角频率与转子旋转角频率一致，并且当d轴与转子主磁通方向一致时，将（1）的定子磁链方程式代入（2）的定子电压方程式就得到永磁同步电机转子磁通定向的电压回路方程式：
（9）
电磁转矩方程为：
（10）
其中：p为电机的极对数。
在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不变，所以都是采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机的。在基速以下恒转矩运行区中，采用转子磁链定向的永磁同步电动机定子电流矢量位于q轴，无d轴分量，即iq＝i，id＝0，定子电流全部用来产生转矩，而对于面贴式永磁电机而言，气隙均匀，ld＝lq，此时永磁同步电动机的电压方程可写为：
（11）
电磁转矩方程可简化为：
（12）
图1
永磁同步电机位置交流伺服系统矢量控制原理框图
由上述永磁同步电机的数学模型的分析可知：定子电流在轴上的分量决定电磁转矩的大小。永磁同步电机矢量控制的实质就是通过对定子电流的控制来实现交流永磁同步电动的的转矩控制。转速在基速以下时，在定子电流给定的情况下，控制，可以更有效的产生转矩，这时电磁转矩，电磁转矩就随着的变化而变化。在控制系统只要控制大小就能控制转速，实现矢量控制。
永磁同步电机矢量控制很容易实现，只要使实际的与给定的相等，也就满足了实际控制的要求。在实际控制中，向电机定子注入的和从定子检测的电流都不是、而是三相电流，所以必须进行坐标变化。又因为d,q坐标系是定在电机转子上的旋转坐标系，所以要实现坐标变化必须在控制中实时检测电机转子的位置。图2是永磁同步电机的矢量控制原理图。
由图可知，永磁同步电机位置交流伺服系统矢量控制有下面几部分组成：位置速度检测模块、位置环、速度环、电流环控制器、坐标变换模块、svpwm模块、整流和逆变模块。本文只作相关仿真，不设位置速度检测模块。
控制过程为：位置信号指令与检测到的转子位置相比较，经过位置控制器的调整，输出速度指令信号，速度指令信号与检测到转子速度信号相比较，经速度控制器的调节，输出指令信号（电流控制器得给定信号）。同时经过坐标变换，定子反馈的三相电流变为，通过电流控制器使＝0，与给定的相等，电流控制器的输出为轴的电压经坐标变化变为电压，通过svpwm模块输出六路pwm驱动igbt，产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。
实现矢量控制，需要进行坐标变换，各坐标轴之间的关系如上图2。
图2
各坐标轴之间的关系
0
b
a
u
u
w
q
d
q
3.仿真模型的建立
根据上述原理，构建永磁同步电机模型如图3所示，其中电机参数和图4，其它仿真参数如表1，给电机转矩
tl=5。
表1
仿真参数
n-pi
id-pi
iq-pi
kp
0.5
ki
3000
3000
output-limits
-18~+18
-310~+310
-310~+310
ud
320
n*
2000
ts
1e-4
id*
0
图3永磁同步电动机矢量控制仿真模型
图4永磁同步电机参数
4、仿真结果及分析
图4定子三相电流，转速及电磁转矩波形
图5
svpwm输入
图7电机测量模块测量的定子d轴和q轴波形
图6
3s-2r变换得到的定子d轴和q轴波形
由仿真波形可以看出,在额定转速n
=2000r/
min的参考转速下,系统起动响应快速,转速能很好地控制在给定,定子三相电流和转矩在电机转动开始波动只有稳定时的2到２.５倍,且很快稳定,具有较好的特性。波形符合理论分析,系统运行稳定,具有较好的静、动态特性。从上述的仿真，我们可以知道为保证起动过程达到设计要求,既要根据pmsm
数学模型选择和设计合适的仿真模型,又要合理设定仿真参数。
采用该pmsm
矢量控制系统仿真模型,可快捷验证控制算法,也可对其进行简单修改或替换,完成控制策略的改进,通用性较强，且其本身模型也简单易于实现。
永磁同步电机的工作原理 论文篇二
永磁同步电机的公式推导
2.1
永磁同步电机的能量转换过程推导
永磁同步电机电压平衡方程：
（2-1）
其中，为转子机械角位移，为转子机械角速度，电机稳定运行时为常数，即。则有
（2-2）
其中，为电阻压降，表示感应电动势，成为运动电动势。
转矩平衡方程：
（2-3）
其中，为电机电磁转矩，为输出机械转矩，为惯性转矩，为阻力转矩；理想情况下，电机阻力力矩近似为常数，稳定运行时机械加速度为零，所以输出的机械转矩，由于电机阻力力矩近似为常数，电磁功率可近似看作输出机械功率。
磁能的表达式：
（2-4）
由磁能与电磁转矩之间的关系，则：
（2-5）
其中，表示电流矩阵的转置。
则电磁功率为：
（2-6）
由公式两边同时乘以，则：
（2-7）
由式（2.7）可知，等式左边为电机输入功率；等式右边为电阻损耗功率，是电磁功率，即电功率转换成机械功率输出的那一部分，表明从电磁耦合场中获得的一半能量转换成了机械能输出；是输入功率除去输出的和内阻损耗功率之后的功率，即为磁场功率。稳态运行时，一个周期内磁场功率应为零，即一个周期内磁场转化的功率与释放的功率相同。
2.2
坐标变换
（1）变换（clark变换）
设三相绕组和两相绕组每相的绕组匝数分别为n1，n2，将两组磁动势分别投影到轴和轴上：
（2-8）
前后保持功率不变，可进一步推倒出此时，所以，三相静止坐标系到两相静止坐标系（3s/2s）的“等功率”变换矩阵为：
（2）变换（park变换）
同样遵照磁效应等效原则，同一时刻、同一方向上的瞬时磁动势相等，再由功率不变原则得出变换前后各绕组的有效匝数不变，因此可以直接由电流矢量表示合成磁动势。将磁动势投影到正交的α
轴、β
轴上，由三角关系易得：
（2-9）
两相静止坐标系到两相旋转坐标系（2s/2r）的“等功率”变换矩阵为：
（3）变换
考虑零序电流得
（2-10）
则有，（2-11）
通过计算可以得出变换矩阵：
2.3
旋转坐标系下动态方程
（1）
电压方程
根据坐标变换，并考虑：
（2-12）
（2-13）
可以得到
（2-14）
（2-15）
（2-16）
（2-17）
（2-18）
定子电压方程
（2-19）
（2-20）
（2-21）
转子电压方程
（2-22）
（2-23）
（2-24）
（2）磁链方程
轴上绕组：绕组，阻尼绕组，励磁绕组。
轴上绕组：绕组，励磁绕组。
在绕组通三相电流，在绕组中的磁链
（2-25）
其中，为绕组和相绕组重合时的互感
在绕组通电流，在绕组中的磁链
（2-26）
其中，为直轴电枢反应电感
令绕组与绕组等效，则
（2-27）
同理
（2-28）
轴主磁链
（2-29）
轴总磁链
（2-30）
其中，为定子交直轴的漏感
若，为定子绕组漏自感和漏互感，则总漏感和零序电感为
（2-31）
由交直轴磁链得到交直轴同步电感
（2-32）
定子系统的磁链
（2-33）
（2-34）
（2-35）
励磁绕组的磁链
（2-36）
直轴阻尼绕组的磁链
（2-37）
交轴阻尼绕组的磁链
（2-38）
（3）转矩方程
同步电动机输入总功率
（2-39）
由于
所以
（2-40）
变换为磁势不变，而非功率不变，系数不为1。
展开得到
（2-41）
（2-42）
2.4
拉格朗日运动方程
确定电机的动力变量，广义损耗系数，以应外来广义驱动力，列表如下：
表3.1
在广义坐标和广义速度下的系数
定子绕组
定子绕组
转子绕组
转子绕组
机械转子
假设系统为线性的（2-43）
由，可得
（2-44）
拉格朗日函数为
（2-45）
其中。
（2-46）
根据式（3.23），同步电机运动方程的推导如下：
当时
（2-47）
则定子绕组轴的电压方程为：
（2-48）
当时
（2-49）
则定子绕组轴的电压方程为：
（2-50）
当时
（2-51）
则转子绕组轴的电压方程为：
（2-52）
当时
同理可得，转子绕组轴的电压方程为：
（2-53）
当时
（2-54）
则力平衡方程为
（2-55）
综上所述，式（2-46）、（2-50）、（2-51）、（2-52）、（2-56）合起来就是永磁同步电机的运动方程。
永磁同步电机的工作原理 论文篇三
特高效永磁电机替换y2异步电机节能分析
效率和功率因数是两个不同的概念。电机的效率是指电机的轴输出功率与电机从电网吸取的功率之比，而功率因数是指电机的有功功率与视在功率之比。
功率因数低会造成无功电流大；进而造成因线路电阻压降大，电压低。因线路损耗增加，有功功率增加。
具体原理：
交流永磁同步电动机，转子无滑差，无电励磁，转子无基波铁、铜耗损。转子由于永磁体自带磁场，无需无功励磁电流，因此功率因数高，无功转子无基波铁、铜耗损。无功功率少，定子电流大幅下降，定子铜损耗大为减少。同时，由于稀土永磁电机的极弧系数大于异步电动机的极弧系数，当电压和定子结构一定时，该电机的平均磁感应强度比异步电机小，铁损耗小。由此可见，稀土永磁同步电动机是通过降低自身各种损耗而节能的，不受工况、环境等因素变化的影响。
永磁同步电动机的特性
效率高
平均节电10%以上
异步y2电动机效率曲线，一般在60% 额定负载时下跌较快，轻载时效率很低 永磁电动机效率曲线高而平，在20%~120% 额定负载时均处于高效率区。经多个厂家不同工况现场实测，永磁同步动机的节电率在10~40%。
功率因数高 接近1 永磁同步电机无需无功励磁电流，所以功率因数几乎为1，功率因数曲线和效率曲线高而平，功率因数高，定子电流小，进而降低定子铜耗，提高效率。工厂电网可减少甚至取消电容无功补偿。同时永磁电机的无功补偿是实时就地补偿，使得工厂的功率因数更平稳，对其它设备的正常运行非常有利，减少工厂内电缆传输的无功损耗，起到综合节能的效果。
电机电流小
采用永磁电机后，电机电流明显下降，经实测，永磁电机和y2电机相比，电机电流明显减少。永磁电机无需无功励磁电流，电机电流大幅降低。减少了电缆传输中的损耗，等于扩大了电缆的容量，输电电缆经可以安装更多电机。
运行无滑差转速稳定
永磁电机是同步电机，电机的转速只与电源频率有关，2极电机，在50hz电源下工作时，转速严格稳定在3000r/min。不丢转、无滑差、不受电压波动、负载大小的影响。
温升低15~20℃
永磁电机的电阻损耗小，总损耗大大降低，降低了电动机的温升。经实测，在同等条件下，工作温度比y2电机低15~20℃。
能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔题。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。
永磁同步电机的工作原理 论文篇四
永磁同步电机的工作原理
永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。永磁同步电机在现在应用及其广泛。和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。
作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频 异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式〔鼠笼式异步电机〕绕线式异步电动机。永磁同步电机的工作原理如下：
永磁同步电机主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
永磁同步电机的载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
永磁同步电机的切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
永磁同步电机交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三 相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。
永磁同步电机的交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
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