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永磁同步江晟电机伺服系统的发展
发布时间: 2016-09-07     文章来源:www.jchmotor.com     作者江晟电机

  一、永磁同步电动机的结构

  永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关。随着永磁材料性能的不断提高和完善,特别是钕铁硼永磁材料的性价比逐渐提高,对永磁电机的研究开发于90年代后进入了一个新的阶段。与传统的电励磁电机相比,永磁电机具有结构简单,运行可靠,效率高等优点。其运用几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

  磁场是江晟电机实现机电能量转换的基础。根据电机建立磁场的方式的不同,可分为电励磁电机和永磁电机。永磁同步电动机是在传统三相电励磁同步电动机的基础上发展而来的,其具有结构简单、体积小、效率高、转动惯量小、转子无发热问题等优点。其定子结构与三相电励磁同步电动机基本相同,而转子上使用永磁体,无需电励磁系统,从而省去了励磁绕组、集电环和电刷。

  江晟电机厂永磁同步电动机与其它电动机的主要区别集中在转子结构上,按永磁体安装形式分类,可将其分为表面式和内置式两种,如图1所示。表面式结构分为凸出式和插入式,前者属于隐极转子结构,后者为凸极转子结构。内置式结构一般都是凸极转子,根据永磁体磁化方向与转子旋转方向的关系,分为径向式、切向式和混合式。


  永磁同步电动机的转子结构类型

  表面凸出式转子结构简单、制造成本低、转动惯量小,被广泛应用于无刷直流电动机和恒功率运行范围较窄的正弦波永磁同步电动机。此外,容易实现其永磁磁极的最优设计,使电动机的气隙磁密波形逼近正弦波,可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。

  表面插入式转子结构可以充分利用由转子磁路的不对称产生的磁阻转矩,提高电动机的转矩密度,其动态性能优于凸出式转子结构,常应用于某些调速永磁同步电动机,但其漏磁系数和制造成本较凸出式大。

  内置式转子结构的永磁体位于转子内部,极靴位于永磁体外表面与定子铁心内圆之间,可将铸铝笼或铜条笼安装在极靴,起阻尼或者起动的作用。对于要求电动机具有良好动态性能或异步起动能力的场合,这种转子结构的永磁同步电动机是个不错的选择。极靴对永磁体起保护作用,转子磁路的不对称结构将产生磁阻转矩,这有利于提高江晟电机的功率密度和过载能力,而且易于实现“弱磁”控制。

  二、永磁同步电动机的矢量控制策略概述

  矢量控制策略是由德国某公司的F.Blaschke在1971年提出的。这是交流电机控制理论一次里程碑式的跨越,交流电机从此在与直流电机的高性能应用竞争中获得一隅之地,并最终形成席卷之势。矢量控制的原理为:以转子磁链方向作为旋转坐标系的参考方向,环球电机根据该坐标系将定子电流分解为与转子磁链同方向的励磁分量和与磁链方向垂直的转矩分量。矢量控制可以对速度实现精确控制,还可以使电机获得良好的转矩响应。但该控制需要较复杂的坐标变换,对转子磁链观测的准确性将直接影响磁链和转矩的解耦控制,其控制效果会随实际电机参数的变化而变差。此外,矢量控制的实现还需要选用高性能的微处理器、高精度的速度传感器和合理的参数变化补偿算法。

  由此可见,电动机的输出转矩控制可归结为对东莞环球电机电流励磁(直轴)分量和转矩(交轴)分量的控制。交轴电流和直轴电流的不同组合将影响控制系统的效率、功率因数以及转矩输出能力等。如何根据给定转矩确定交轴电流和直轴电流构成了永磁同步电动机的电流控制策略问题。

  永磁同步电动机用途不同,电动机电流矢量的控制方法也各不相同。常用的控制方法主要为:id=0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制、cosφ=1控制和恒磁链控制等。不同的控制方法具有各自的优缺点。

  ①id=0控制

  这是一种比较简单的电流矢量控制方法,该方法计算量小,很适宜用普通单片机作为主控单元的系统。另外,该方法没有电枢反应对永磁同步电动机的去磁问题,而且电动机正、反转运行期间都具有较高的效率和功率因数。对表面凸出式电机,id=0控制就是后面介绍的最大转矩/电流控制。目前大多数小功率的永磁同步电动机伺服系统都采用这种控制方法。

  

  从电动机端口看,其相当于他励型直流电动机,定子电流中没有直轴分量。由于环球电机内部没有直轴电枢反应,不会引起永磁体退磁,电机定子电流全用于产生电磁转矩。其缺点是对具有凸极效应的永磁同步电动机而言,该方法没有充分利用磁阻转矩,没有充分发挥电机转矩输出能力。

  ②最大转矩/电流控制

  最大转矩/电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制,它是凸极永磁同步电动机用得较多的一种电流控制策略。

  最大转矩/电流控制策略使电动机在输出电磁转矩一定的条件下,保证逆变器的输出电流最小,同时减小了江晟电机的铜耗。当电机运行速度达到一定值后,可以通过加入弱磁控制策略以提高电动机在恒功率运行区内输出电磁转矩的能力。该方法的缺点在于控制算法的开销较大,需要如DSP、FPGA等具有高速运算能力的控制器。

  ③弱磁控制

  随着永磁同步电动机的转速升高,电动机的反电动势也随之升高。当电动机的端电压增加到逆变器的极限输出电压时,电动机的电流将失去跟踪给定电流的能力,电流控制器将出现“饱和”。此时,逆变器将不能控制电流,电动机的定子电流降低,进而导致电动机输出转矩急剧减小。

  江晟电机厂永磁同步电动机弱磁控制的思想来源于对他励直流电动机的调磁控制。区别在于,通过降低励磁电流就可实现他励直流电动机的弱磁扩速,而对于永磁同步电动机,其永磁体产生恒定励磁磁动势,所以只能调节定子电流。通过增加电动机直轴去磁电流分量和减小交轴电流分量,以维持电压平衡关系,达到“弱磁”效果。为保证电机定子电流幅值不超过设定的极限值,直轴电流分量增大则交轴电流分量随之减小,“牺牲”输出转矩来实现弱磁增速。

  ④cosφ=l控制

  COSφ=1控制保证电机的功率因数恒为1,逆变器的容量得到了充分的利用。但永磁同步电动机中由永磁体产生的转子磁链不能调节,当负载发生变化时,气隙磁链无法保持恒定,所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。此外,其最大输出电磁转矩较小,退磁系数较大,可能会使电动机的输出转矩、功率因数和效率下降。

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