永磁同步（精选12篇）
永磁同步 篇1
摘要：本文对两并联永磁同步电动机系统进行研究分析。基于交叉耦合控制思想, 根据李雅普诺夫稳定性理论和范数理论对该系统设计一个同步协调控制器, 得到一个能够使该系统稳定并保证两电机同步的同步协调控制器设计方法。所设计的控制器具有结构简单、便于工业应用的特点。最后, 通过Matlab/Simulink仿真来验证该方法的有效性。
关键词：交叉耦合控制,李雅普诺夫稳定性理论,同步协调控制,永磁同步电动机
一、引言
永磁同步电动机由于体积小、调速比范围宽、效率高、运行平稳、噪声小、过载能力大, 被广泛地应用于工业、交通运输等领域。虽然永磁同步电动机具有诸多优点, 但是由于其数学模型具有高阶、非线性、强耦合、多变量的特点, 要想获得良好的控制效果依然存在困难。为了获得良好的控制性能, 近年来诸多学者提出了多种控制方式。如, 为了应对参数和 (或) 负载的扰动, 有人提出了鲁棒控制。为了应对参数和 (或) 负载的变化, 自适应控制得以应用。预测控制方案可以在降低花费或使某些性能指标最优的情况下, 还能使得输出情况良好。最优控制可以获得综合性能最优。采用模型参考自适应方式既可以使得参考模型随实际模型变化, 又可以使实际输出跟随参考模型输出, 从而获得良好的输出性能。为了降低控制器成本, 减小控制器体积, 采用无传感器控制方式或基于观测器的控制方式。采用模糊控制方式来应对结构和非结构不确定性带来的影响, 提高系统鲁棒性。采用分数阶控制方式可以获得比整数阶更好的控制效果。由于滑模控制方式对系统的不确定性和外加扰动具有鲁棒性, 因此被广泛使用。为了获得良好的动态性能, 采用转矩前馈控制方式。此外, 还有backstepping控制、神经网络控制、有限时间控制和线性控制方式也同样可以应用于该领域。
虽然, 这些控制方式都能对永磁同步电机进行良好的控制。但是, 它们或多或少的存在着不足。如自适应控制和模型参考自适应控制方式计算量很大, 并不特别适用于快速系统。鲁棒控制虽然计算量小些, 但是其只能处理一定范围的扰动。预测控制不但计算量大, 而且预测步长受实际被控对象的限制。采用模糊控制时, 需要对被控对象的实际情况有个事先的了解。采用backstepping方式设计控制器比较复杂。滑膜控制由于它的不连续控制, 会导致震荡现象。神经网络控制方式需要事先获得被控对象的输入输出特性, 并由此对神经网络进行训练。而采用的转矩前馈方式, 需要建立前馈表, 由该表查询控制量。此外, 上述大多数控制器比较复杂, 有些并不一定适合工程应用, 并且它们都是针对单个电机进行控制。
多电机的协调控制方式主要分为两种方法:一种是机械方式;另一种是电气方式。机械式的控制方式比较保守, 不易改变系统结构, 而且整个系统不能够太分散。电气式的多电机协调传动控制方式十分灵活, 而且不受空间的限制。协调控制方式主要是从最初的传统机械总轴控制方式到目前的电气控制方式转变。
Koren于1980年提出了交叉耦合控制方法[1], 即当两个轴的输出量的比值与理想值发生偏离时, 由交叉耦合控制器, 对控制双轴的两个电机都进行补偿。与其它协调控制方式相比, 它的协调性能更佳。这是一种将误差进行反馈, 从而达到抑制误差的方法。此后, 众多学者围绕多轴电机协调控制 (即耦合多电机系统) 进行进一步的研究。Kulkarni和Srinivasaa详细分析了交叉耦合补偿控制策略[2,3], 并于1989年提出了相关的最优控制策略[4]。1992年, Tomizuka等在交叉耦合控制器中引入了自适应反馈控制算法[5], 改善了瞬态响应和抗干扰能力。接着出现了多种多电机耦合控制方案, 如模型参考自适应控制在多电机同步拖动系统中的应用[8]。目前, 现有的多电机协调控制器大都比较复杂, 不便于工业应用。此外, 现在所设计的多电机协调控制方法或多或少地使用了交叉耦合的思想。在很多场合, 我们都希望各个电机能够保持同步协调以提高产品的质量和系统的安全系数。例如在造纸机、印刷机系统中, 如果各个电机不能保证很好的同步性能, 生产的纸张将会被拉断, 印刷也会出现不匹配的现象;在高速列车上, 如果各个电机不能保持良好的同步性能, 车体将会由此产生形变, 从而降低使用年限。
针对这些情况, 本文基于交叉耦合控制思想, 对两并联永磁同步电动机系统设计一个同步协调控制器, 并且获得一个通过李雅普诺夫稳定性理论求取该控制器的定理。
二、数学模型
根据文献[7~8], 两永磁同步电动机数学模型可表示为:
其中, Lsdi:第i个电机的d轴上的定子电感;Lsqi:第i个电机的q轴上的定子电感;Rsi:第i个电机的定子电阻;ψri:第i个电机的永磁磁通;npi:第i个电机的极对数;βi:第i个电机的阻尼摩檫系数;Ji:第i个电机的转动惯量;idi:第i个电机的定子电流在d轴上的分量;iqi:第i个电机的定子电流在q轴上的分量;wi:第i个电机的转子转速;udi:第i个电机d轴上的输入电压;uqi:第i个电机q轴上的输入电压;Tli:第i个电机上的负载转矩;这里, 下标i=1, 2。
引理1[9]:∀ε>0, 且ε为常数, 下列不等式成立:
引理2[10]: (Schur补定理) 对给定的对称矩阵
三、同步协调控制器的设计
两永磁同步电机的数学模型如式 (1) 所示。整个系统的控制结构如图1所示。取状态变量为:
其中, ω*是系统的转速设定值, 并且是一个常量。
因此, 由式 (1) - (3) , 我们可以得到如下状态方程:
其中
即λ为G (X) TG (X) 的最大特征值。
我们可以得到如下定理:
定理1:对于给定的两永磁同步电机, 其数学模型如式 (1) 所示, 假设存在一个λ使得不等式 (9) 成立, 且存在常数ε>0, 对称正定矩阵P和矩阵K=[kij]4×6使得不等式 (10) 成立, 则系统 (1) 能够在控制器 (5) 的作用下渐近稳定, 从而实现两永磁同步电机的同步控制。
证明:设X0为系统 (6) 的平衡点, 即 (A+BK) X0+X0+F (x0) , 则根据式 (7) 我们可以得到在平衡点处有:
取李雅普若夫函数为:
由式 (8) 和式 (12) 可得到:
根据引理1, 对任意给定的常数ε>0, 下列不等式成立:
所以式 (13) 变为:
因为由式 (7) 可以得出6) X=Z。所以6) F (X) 可表示为:
由式 (16) 可以得到:
设计控制器为:
所以式 (4) 变为:
令
在系统共负载变化缓慢的情况下, 即6) T11=0, 6) T12=0, 再根据式 (6) 和 (7) , 我们可以得到如下系统:
由式 (15) 和式 (17) 可得:
其中, I为适当维数的单位对角矩阵。
下式成立:
则表明李雅普若夫函数V为负。根据李雅普诺夫稳定性理论, 这表明系统 (1) 在控制器 (5) 的控制作用下能够稳定, 从而表明两永磁同步电机在控制器 (5) 的作用下能够实现同步。
根据引理2, 式 (19) 可以进一步地写为式 (10) 。定理证明完毕。
四、计算机仿真
接下来, 我们用计算机仿真来验证所提定理的正确性与有效性。
根据文献[11], 两电机的参数见表1。
根据电机参数情况, 通过相关方法可以得出:λ≤5×104。取λ=5×104。解定理1中的不等式 (10) , 得:
这表明式 (9) 有解。这意味着系统能够在控制器U=KX的作用下稳定, 并且两永磁同步电机能够实现同步。接下来, 利用Matlab中的Simulink软件进行仿真分析以验证定理的正确性。
Simulink仿真时, PWM开关频率为10KHz, 直流侧电压:VDC=300v。控制器参数K如上所示。为了充分地验证系统的同步协调能力, 我们考虑如下情况:系统的速度设定值ω*:120rad/s→-120rad/s→120rad/s。两电机的负载各不相同而且它们的具体数值是未知的。
仿真结果如图2、图3所示。其中, 图2为两电机的速度响应曲线, 图3为两电机的电流、电压响应曲线。图中, △ω1=ω*-ω1, △ω2=ω*-ω2分别为电机1和电机2的速度误差响应曲线。△ω=ω1-ω2反映的是两电机的同步误差。ia1, ia2分别为电机1和电机2的a相电流响应曲线。uan1, uan2分别为电机1和电机2的a相电压响应曲线。
从仿真结果图我们可以看出:系统启动之后, 两电机的转速很快地稳定下来。同时, 当系统的转速设定值发生变化的时候, 系统也能够很快地跟踪设定值的变化。这说明系统有良好的跟踪能力。同时, 两电机的同步误差在各个阶段均很小并很快地趋近于零。这反映了系统具有良好的同步性能。
五、结语
本文介绍了两并联永磁同步电动机的数学模型, 基于交叉耦合设计思想, 根据李雅普诺夫稳定性理论和范数理论设计了两永磁同步电动机系统的同步协调控制器, 得到了一个能够使该系统稳定的LMI形式的协调控制器设计方法。定理所设计的控制器具有结构简单、便于工业应用的特点。
参考文献
[1].Koren Y.Cross-coupled biaxial computer control for manufacturing system[J].ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 1980, 102 (12) :256~272
[2].Kulkarni P, Srinivasaa K.Cross-coupled compensators for contouring control of multi-axial machine tools[C].North American:In Proceedings of the 13th Manufacturing Research Conference, 1985
[3].Kulkarni P, Srinivasaa K.Cross-coupled compensators for multi-axial feed drive servomechanisms[C].Japan USA:In Proceedings of Japan-USA Symposium of Flexible Automation, 1986
[4].Kulkarni P, Srinivasaa K.Optimal contouring control of multiaxial feed drive servomechanisms[J].ASME Journal of Engineering for Industry, 1989, 111 (2) :140~148
[5].Tomizuka M, Hu J, Chin T, et al.Synchronization of two motion control axes under adaptive feed forward control[J].ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 1992, 114(6) :196~203
[6].Chuang H.Y., Lin C.H..A model-referenced adaptive control strategy for improving contour accuracy of multi-axis machine tools[J].IEEE Transactions on Industry Application, 1992, 28 (1) :221~227
[7].L.Zhao, C.H.Ham, Q.Han, T.X.Wu, et al.Design of optimal digital controller for stable super-high-speed permanentmagnet synchronous motor[J].IEE Proceedings-Electric Power Applications, 2006, 153 (2) :213~218
[8].陈伯时.电力拖动自动控制系统 (运动控制系统) [M].北京:机械工业出版社, 2003, 第3版
[9].P.Khargonekar, I Petersen, and K Zhou.Robust Stabilization of Uncertain linear Systems:Quadratic Stabilizability and H∞Control Theory[J].IEEE Transations on Automatic Control, 1990, 35 (3) :256~361
[10].S.Boyd, V.Balakrishnan, et al.History of Linear Matrix Inequalities in Control Theory[C].Proceedings of 1994 American Control Conference, 1994
[11].M.Preindl, and S.Bolognani.Model Predictive Direct Speed Control with Finite Control Set of PMSM Drive Systems[J].IEEE Transaction on Power Electronics, 2013, 28 (2) :1007~1015
永磁同步 篇2
摘 要:将计算机仿真技术应用于永磁同步电动机控制器的设计研究过程。根据永磁同步电动机的数学模型,结合直接转矩控制理论,以永磁同步电动机为例,利用Matlab/Simulink软件,对永磁同步电动机直接转矩控制仿真建模,给出了其仿真结果。
关键词:永磁同步电动机;直接转矩控制;Matlab/Simulink
永磁同步电动机(PMSM)具有高效节能、体积小以及良好的变频调速性能等优点;直接转矩控制技术直接对电机的磁链和转矩进行控制,使电机转矩响应迅速;该技术最先应用于感应电机控制中,随着PMSM广泛应用,将直接转矩技术应用于永磁同步电动机的控制。近年来已经成为研究者竞相关注的课题,大多数研究集中于其控制理论和实现方案的方面。本文则基于Matlab/Simulink软件环境应用直接转矩控制理论,对PMSM控制系统建模仿真;详细介绍了直接转矩控制系统仿真中各个控制计算单元模型的建立,提供了一种建模思路;为电机控制器硬件的设计提供了仿真参考。
1 PMSM直接转矩控制系统的仿真建模
1.1 PMSM特点及控制系统选择
PMSM常用的控制策略有:小容量同步电机的恒压频比控制;基于磁场定向的矢量控制;直接转矩控制[2]。三种控制策略各有各的特点,且在不同的应用场合取得了较好的控制效果。然而,恒压频比控制的动态性能不高;矢量控制在实际应用上由于转子磁链难于准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,使得其控制效果难于达到理论分析的结果。直接转矩控制的.控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,转矩响应迅速,对转子参数不敏感。鉴于这些优点,在PMSM控制系统中,选择直接转矩控制理论进行尝试,利用Matlab/Simulink计算机仿真软件,进行计算机仿真和分析。
1.2 PMSM直接转矩控制系统的建模
在PMSM数学模型和直接转矩控制理论的基础上,在Matlab/Simulink的环境中,对PMSM的直接转矩控制系统进行了计算机仿真。其控制系统仿真模型原理框图见图1。
PMSM数学模型的电系统采用dq轴数学模型[3](即PARK方程的数学模型)描述。它不仅可以用于分析电机的稳态运行性能,也可以用于分析电动机的瞬态性能。它使用固定于永磁同步电动机转子且随转子一起旋转的平面坐标系作为参考坐标系见图2。取永磁体基波磁场的方向为d轴,而q轴顺着转子旋转方向超前d轴90°电角度,转子参考坐标系的旋转速度即为转轴速度。而PMSM数学模型的机械系统则由一阶线性微分方程描述。
电磁转矩的大小是由转子磁链和定子磁链之间的叉积来决定。直接转矩控制的方法是控制定转子磁链的幅值基本不变,通过改变定转子磁通间的夹角来改变电磁转矩的大小。实际中主要是通过改变定子磁通的旋转速度来达到改变转矩的目的。为了实现控制定子磁通的幅值和方向,可采用SVPWM逆变器选择电压矢量的方法实现。把SVPWM逆变器产生的电压矢量平面的圆周划分为6个扇区,每个扇区内的磁通轨迹由该扇区所对应的两个电压矢量来形成,见图3。在每个区域可选择两个相邻矢量来增加或减少磁链的幅值,这两个矢量就决定了最小开关频率。通过选择合理的电压矢量及误差带,即可控制定子磁通的幅值和方向。根据直接转矩控制原理框图见图1,利用Matlab/Simulink建立永磁同步电机直接转矩控制系统的仿真模型。它主要包括了永磁同步电动机模型、开关表、3/2变换、磁链估算、转矩估算和逆变器等子模块。[4][5]
(1)开关表子模块。开关表子模块是根据定子磁链的区间信号?兹(N)、磁链控制信号?椎和转矩控制信号?子从而选择合适的空间电压矢量,以实现直接转矩控制原理的重要模块。为实现电压空间矢量的选择,该模块对其中的磁链控制信号?椎和转矩控制信号?子进行处理,化为一个变量X,以便于在Matlab/Simulink中实现2D的Look-Up Table。经比较后,当信号给定值比实际值大时,设磁链控制信号?椎和转矩控制信号?子为1,否则为0,变量X可以设置为X=2?椎+?仔+1。
经过该子模块,以定子磁链的区间信号?兹(N)、磁链控制信号?椎和转矩控制信号?子作为输入量,从而实现开关电压矢量(6个状态量)的选择见表1。
(2)3/2变换子模块。3/2变换子模块根据逆变桥直流母线侧电压对电机直轴和交轴电压、电流进行计算。输入端口1将三相电流引入后,按照3/2变换公式,用Fcn数学函数即可得出Id、Iq;输入端口2引入开关电压矢量后,按照电压矢量dq轴分量表,可以一一对应求出Ud、Uq,这种对应关系可以很方便的用一维Look-Up Table查询得到。输出端口1只引出了直轴和交轴电流;输出端口2则引出直轴和交轴电压、电流。模块见图4。
(3)磁链估算子模块。计算磁链在dq轴上的分量?追d、?追q由该子模块实现。该子模块在估算定子磁链的同时还可以确其在空间中所处的区域?兹,从而为空间电压矢量选择模块提供输入信号。模块见图5。磁链估算是根据磁链u-i模型,通过Fcn数学函数和积分环节计算?追d、?追q,再用Fcn数学函数求算术平均值即可得到定子磁链的幅值;区间判断用MATLAB Fcn编程实现比较方便,根据计算得到的?追d、?追q数值,通过三角函数关系可以判断出磁链所在区间。
(4)转矩估算子模块。转矩估算模块根据双反应理论转矩公式,通过Fcn数学函数即可实现,见图6。
2 直接转矩控制系统的仿真分析
仿真中,结合一台2.2kW PMSM,其参数:相数为3,极数为6,额定频率50Hz;设置控制系统的参数为速度环比例系数Kp=3,速度环积分系数Ki=10,转矩滞环比较器参数?驻T=0.05,磁链滞环比较器参数?驻?追=0.05,磁链给定值?追为0.175。
仿真过程描述如下:起初电机空载,转速给定100 rad/s,转矩给定4 N・m,电机启动,开始加速并马上跟随给定转速和给定转矩,稳定后,在0.1 s将转矩突变为2 N・m,在波形上电机的电磁转矩应有些波动,转速开始调节,调节完成后最终转矩稳定在2 N・m,在此过程当中,磁链始终跟随给定0.175 Wb。
从仿真结果分析,该控制系统达到了预期效果,验证了永磁同步电机直接转矩控制的正确性和可行性,为实际系统的实现提供了基础。但需要注意的是:在仿真中有很多模型都是理想化的,有很多因素还不能从模型中反映出来,真正的实现PMSM直接转矩控制还需要考虑众多因素。
3 结论
文章分析了PMSM数学模型和直接转矩控制的原理,利用Matlab的Simulink软件环境对PMSM直接转矩控制系统进行了计算机数学建模及仿真。仿真结果表明该控制系统模型具有良好的动态、静态性能,为PMSM控制系统的设计和控制系统整体性能的提高提供了良好的帮助。
参考文献:
[1]Zhong L,Rahamn M F, Analysis of Direct Torque Control in Permanent Magnet Synchronous Motor Drives [J],IEEE Trans On PE, .12(3):528-535
[2]李夙,异步电动机直接转矩控制[M],北京:机械工业出版社,
[3]唐任远,现代永磁电机理论与设计[M],北京:机械工业出版社,1997
[4]谢运祥、卢柱强,基于Matlab/Simulink的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模[J],华南理工大学学报,(1):19-23
电动汽车用永磁同步电机设计 篇3
关键词：电动汽车；永磁同步电机；永磁
1 电动汽车对驱动电机性能的要求
电动汽车运行工况多变复杂，因此对驱动电机的性能、尺寸都有相应的要求：①在电池电量一定的情况下行驶里程是电动汽车性能的关键因素，为了提高汽车的续航里程，要求电动机能耗低、效率高。②汽车在行驶中会走烂路低速行驶，也会走高速路高速行驶，会运行于多种不同工况之中，要求电机调速范围宽泛。③汽车在运行中会频繁起步、加速、制动减速、爬坡等，要求电机具有较大的启动转矩，在设计中可选取较大的过载系数。④为了增大汽车车内空间、便于电机布置同时减轻汽车重量，要求电机比功率较大、体积小、尽量采用较高的额定电压。
2 永磁同步电机总体设计
電动汽车用永磁同步电机总体设计首先需要确定电机的磁路结构，选用合理的计算方法确定电机各部件的尺寸参数，基本确定出电机的原型。
2.1 转子磁路结构选择 转子磁路结构对永磁同步电机的驱动性能产生很大影响，是电机设计阶段首先要考虑的问题。隔磁桥能有效控制磁漏系数的大小，因此合理设计隔磁桥很重要[1]。磁漏系数小电机的抗去磁能力减弱，磁漏系数大所需永磁体量就多。因此需要对电机的磁路结构进行合理设计以满足电动汽车对驱动电机的要求。
不同的磁路结构对电机的电感参数影响很大，主要根据永磁体布置与转子位置不同分为表面置式与内置式，如图1所示。由于永磁体内置式切向式永磁同步电机转矩输出能力比其他电机强、调速范围宽、结构紧凑、运行可靠。因此选用该种结构形式为本课题研究对象。
2.2 永磁体材料与尺寸选择 目前，永磁同步电机永磁体材料采用稀土材料钕铁硼[2]，它具有很高的矫顽力和磁能积，磁能积是普通铁氧永磁体的6倍以上。因此本电机转子永磁体用稀土材料钕铁硼NdFe35作为永磁体材料。磁通面积的大小由永磁体的宽度决定，永磁体的退磁由厚度决定[3]。
2.3 主要尺寸与电机负荷计算与选择 电动汽车在行驶中会受到来自地面的摩擦阻力、空气的风阻力，同时也会受到加速阻力、爬坡阻力。根据汽车行驶方程式
3 永磁同步电机参数与尺寸的确定
3.1 电机主要参数的确定 根据电动汽车已知参数，对电动汽车主要运行工况进行计算分析，根据公式（1）到（5），初步估算出电机的基本性能参数，如表1所示。
为了达到电机的性能指标要求，运用公式（6）、（7）计算出电机的外形尺寸、永磁体、定子槽型尺寸。所需参数见表2。
确定电机估算结果如表3。
4 小结
文章首先介绍电动汽车不同运行状况对电机的要求，根据要求来确定永磁同步电机的性能参数，以满足电动汽车的要求。根据目标参数综合分析比较后确定转子结构为内置切向式的永磁同步电机为本论文研究对象。通过计算初步确定永磁同步电机的基本尺寸、绕组类型、定子槽型等。最后通过解析计算得出永磁同步电机各参数初选数值。
参考文献：
[1]赵云，李叶松.永磁同步电机宽范围最大转矩控制[J].电工技术学报，2010，25（7）：45-50.
[2]代颖.电动车驱动用永磁同步电机的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004.
[3]温有东.电动汽车用永磁同步电机的研究[D].哈尔滨工业大学，2012.
[4]程福秀，林金铭.现代电机设计[M].机械工业出版社，1993.
永磁同步电动机直接转矩控制 篇4
内置式永磁同步电动机 (IPMSM) 由于具有高功率密度和宽调速范围的优点, 非常适合作为电动汽车的驱动电机[1]。而出于降低成本以及电动汽车空间受限的考虑, 无传感器控制技术无疑是电动汽车驱动电机非常合适的控制策略。内置式永磁同步电机无传感器控制方法主要分为适用于启动、低速的方法和适用于中、高速的方法两大类[2]。启动时的初始位置检测以及低速阶段基本上都采用的是高频信号注入方法[3,4], 而中高、速无传感器技术可采用的方法很多, 如磁链估计法[5]、模型参考自适应 (MRAS) 法[6]、状态观测器法[7]、滑模变结构法[8]等。
根据无传感器和直接转矩的优点, 将两者结合起来进行IPMSM直接转矩的无传感器控制研究, 并进行仿真得出结论。
1 IPMSM数学模型
旋转坐标系下的常用IPMSM电压方程可表示为:
其中, ud (t) 、uq (t) 、id (t) 、iq (t) 分别为d-q轴系的电压和电流, Ld、Lq分别为d-q轴系的电感, R、ωr分别为绕组电阻和转子转速, p为微分算子。
假设电机的参数不随温度变化, 忽略磁滞、涡流损耗, 转子无阻尼绕组, 那么定子磁链方程可表示为:
转矩方程为:
其中, np为极对数。
运动方程为:
其中, TL为负载转矩, J为电机转动惯量, B为阻尼系数。
2 直接转矩控制原理
相对于矢量控制, 直接转矩控制只需要采用定子磁链定向控制, 便可以在定子坐标系内实现对电动机磁链、转矩的直接观察和控制。由于只需要检测定子电阻即可准确观测定子磁链, 解决了矢量控制中系统性能受转子参数影响的问题。
根据式 (2) 、式 (3) , 并用定子电流矢量is表示, 得:
其中, β为定子电流矢量is与ψf间的夹角, 称为转矩角。
如果定义δsm为定子磁链矢量ψs与永磁体励磁磁链矢量ψf间的电角度, 则有:
将式 (2) 、式 (6) 带入式 (3) , 整理可得:
上式表明:电机参数确定后, 电磁转矩的大小与励磁磁场磁链矢量和定子磁链矢量的幅值以及两者之间的空间相位移有关。
3 IPMSM无传感器直接转矩控制系统
在实施直接转矩控制时, 将磁链、转矩观测值与给定值之差经两滞环控制器条件后便获得磁链、转矩控制信号, 再综合考虑定子磁链的当前位置来选取合适的电压空间矢量, 形成对电机转矩的直接控制。
控制系统根据电机的三相电流和电压, 利用磁链和转矩估计算法估计出实时磁链和转矩大小以及磁链所在扇区, 之后分别与转矩和磁链给定值进行滞环比较, 最后根据比较值的控制要求合理选择逆变器的开关矢量, 使电机按控制要求调节输出转矩, 最终达到调节速度的目的。控制系统结构如图1所示。
4 控制系统仿真
为验证上述控制方法的性能, 在Matlab7.0的Simulink平台上进行仿真实验, 控制系统仿真图如图2所示。
图3给出了永磁同步电机启动至设定值转速时的转矩和估计转矩的变化曲线;图4给出了永磁同步电机启动至设定值转速时的转速和A相定子电流的响应曲线。仿真时初始负载转矩设定为1N·m, 在0.2s给电机突然加到2N·m。
从仿真情况可以看出, 整个控制系统有非常好的动态性能和稳态性能。
5 结语
仿真结果表明, 这种方法能够有效地估计永磁同步电机的转子位置和速度, 电机的各种性能能够满足实际工作的需要。
参考文献
[1]A.Consoli, G.Scarcella, G.Scelba, et al.Steady-state and torque operation of IPMSMs under maximum-torque-per-ampere control[J].IEEE Trans.Industry Applications, 2010, 46 (1) :121-129
[2]谷善茂, 何凤有, 谭国俊, 等.永磁同步电动机无传感器控制技术现状与发展[J].电工技术学报, 2009, 24 (11) :14-20
[3]缪学进, 李永东, 肖曦.高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统[J].电气传动, 2007, 37 (3) :10-14, 25
[4]Ji-Hoon Jang, Jung-Ik Ha, Motomichi Ohto, et al.Analysis of Permanent-Magnet Machine for Sensorless Control Based on High-Frequency Signal Injection[J].IEEE Trans.Ind.Applicat., 2004, 40 (6) :1595-1604
[5]邓青宇, 廖晓钟, 冬雷.一种基于定子磁场定向矢量控制的异步电机磁链观测模型[J].电工技术学报, 2007, 22 (6) :30-34
[6]齐放, 邓智泉, 等.基于MRAS的永磁同步电机无速度传感器[J].电工技术学报, 2004, 22 (4) :53-58
[7]Shih-Chin Yang, Robert D.Lorenz.Surface Permanent-Magnet Machine Self-Sensing at Zero and Low Speeds Using Improved Observer for Position, Velocity, and Disturbance Torque Estimation[J].IEEE Trans.Ind.Applicat., 2012, 48 (1) :151-160
永磁同步 篇5
9月17日，工业和信息化部在太原组织召开了高效高压永磁同步电动机节能技术鉴定会，邀请国家稀土永磁电机工程技术研究所中心主任唐任远院士、上海电科所金惟伟所长、天津大学王晓远院长等多位国内电机领域知名专家组成鉴定委员会，工信部科技司副司长韩俊、节能司副司长高东升、省经信委总工程师杨永辉、节能处处长张占祥、省发展改革委、省科技厅、省国防科工办等参加了会议。（莱普乐注塑机节能改造网）
山西北方机械制造有限责任公司隶属于中国兵器一机集团，高效高压永磁同步电动机是该公司响应国家节能减排号召，推进军工技术民用化，于2008年开始着力研制开发的工业节能产品，在磁场分析匹配、降低损耗、优化热平衡和动平衡等方面取得了重大突破，并于2012年7月通过山西省科技厅组织的成果鉴定，具有效率高、节电率高、安全本质度高及温度低、噪音低、维护成本低等特点。目前已完成33种机型的设计，获得各项专利授权8项。样机先后在首钢、大唐国电张家口电厂等十多家单位试用，反映良好。
永磁同步 篇6
摘要：为研究大功率永磁同步发电机电压调整率的降低措施，采用场路结合法进行定性研究，然后通过有限元法进行定量研究。首先定性分析永磁同步发电机的电压调整率，然后定量分析发电机的气隙长度、定子槽型、铁心长度等参数，最后通过多参数优化永磁同步发电机电压调整率与之前的仿真比较，证实多参数优化的正确性。
关键词：永磁同步发电机；电压调整率；多参数
中图分类号：TM313文献标识码：A
Abstract：In order to reduce the voltage regulation rate of high power permanent magnet synchronous generator， the qualitative research was carried out by means of field circuit combination method， and then the quantitative analysis was carried out by the finite element method. The permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was qualitatively analyzed， and the generator air gap length， slot type， core length and other parameters were quantatively analyzed， and the multi parameter optimization simulation of permanent magnet synchronous generator voltage regulation rate was compared with the previous ones， which confirmed the correctness of the multi parameter optimization.
Key words：permanent magnet synchronous generator；voltage regulation rate；multi parameter
1引言
稀土永磁同步发电机不仅省去励磁绕组、集电环和电刷，结构更加简单运行可靠，同时稀土永磁使得气隙磁密增大，显著缩小了电机的体积提高了功率与发电质量。但由于发电机制成后磁场难以调节使得永磁同步发电机的应用受到限制。通过降低永磁同步发电机的电压调整率可提高发电机的性能，减轻对用电设备的影响，扩大应用范围[1-2]。文献[3-5]对永磁同步发电机的电压调整率进行了定性分析。文献[6]针对前文的定性分析，对降低永磁同步发电机的电压调整率进行了定量研究。
本文通过对一台大功率永磁同步发电机的电压调整率进行定量研究，通过多参数优化设计，达到降低发电机电压调整率的目的。
2永磁同步发电机的电压调整率
永磁同步发电机的固有电压调整率ΔU是其重要性能指标之一，是指在负载变化而转速保持不变的情况下的输出电压的变化，其数值完全取决于发电机本身的基本特性。其表达式如式（1）所示[1]：
ΔU=E0-U/UN×100% （1）
其中E0为空载反电动势，U为输出电压，UN为额定电压。
铁心长度增加，定、转子、永磁体以及铜的用量均增加，电压调整率也随之增加，铁心长度每增加5 mm，电压调整率平均增加0.6%。
3.4每相串联匝数的影响
电枢绕组每相的串联匝数N与空载反电动势、额定负载时的直轴电动势、直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗均成正比关系。且每相串联匝数减小时，空载反电动势的变化要小于交轴电枢反应电抗。样机取值为14，且由于样机是采用双层绕组，因此取间隔点值2，采样结果如下。
从上表可以看出，永磁体矫顽磁力对电机电压调整率影响，随着矫顽磁力的增加，发电机的电压调整率呈上升趋势，矫顽磁力每改变10 kA·m-1，电压调整率平均改变0.077%。
4多参数优化电压调整率
通过前文单一参数的定量分析可以看出，各变量对本设计样机均有一定影响，但通过仿真表明绕组每相匝数在低于或高于14时，发电机的输出电压过低、电压调整率过高，不符合优化因此每相串联匝数在本优化中影响可忽略不计。
由于永磁同步电机结构中，上述各参数相互之间均存在一定的联系与影响，因此综合各参数对电压调整率进行优化有一定的可行性。
4.1定子槽整体优化
由上文结论可知，当槽口宽度增大，电压调整率降低，当槽口宽度达到4.2 mm时，电压调整率降到7.76，而从实验表明，当槽口宽度仍持续下降，电机仿真结果出现一定的错误，因此初步取槽口宽度4.2 mm；表4为定子槽深实验结果，从结果可以看出，随着槽深加深，电压调整率变大，而实验表明，当定子槽深小于22时，电机仿真结果出现误差，因此取槽深22定值模拟。
综合上述两表对比分析看出，电压调整率随着参数的改变有一定的变值，在槽口宽为4.2 mm、槽深为22 mm、槽身宽为8 mm时，电压调整率取到最小值6.56。
4.2气隙与矫顽磁力整体优化
根据上文对气隙与矫顽磁力的分析，考虑到发电机的性能需求、生产设计、机械加工工艺等方面，现在生产发电机的气隙长度一般在0.5～2.0 mm间取值，因此本文初步定值气隙长度为1.8 mm，对比定值1.5 mm。同时现代电机设计永磁体矫顽磁力常规选值为820 kA·m-1，因此初步定值矫顽磁力大小为790 kA·m-1，对比定值820 kA·m-1。
4.2.1气隙长度的确认
在初步确定气隙长度与永磁体矫顽磁力时，比较分析不同永磁体厚度的影响如下表。
通过Ansoft Maxwell 14软件仿真计算，得多参数优化后的永磁同步发电机电压调整率为4.89%，较之前的样机7.86%相比，电压调整率达到进一步优化，并优化程度超过改变单一参数调整的电压调整率。
5结语
本文通过Ansoft Maxwell 14软件对一台320kW的大功率永磁同步发电机电压调整率进行分析研究，提出了多参数优化电压调整率的方法，同时计算分析表明，多参数优化电压调整率比单一参数调节的方法更加有效，能够大大降低永磁同步发电机的电压调整率。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3]孟明， 许镇琳， 王家军. 内置式永磁同步发电机的低电压调整特性[J]. 电工技术学报， 2004， 19（2）：15-19.
[4]孟明， 许镇琳， 王家军. 内埋式永磁交流发电机低电压调整率的条件分析[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版， 2004， 37（6）：531-534.
[5]孟明， 许镇琳. 低电压调整率交流永磁发电机的设计[J]. 电工电能新技术， 2004， 23（3）：47-50.
[6]郭兵， 冷政， 杨仲源. 永磁电机固有电压调整率降低措施的定量研究[J]. 电机与控制应用， 2012， 39（8）：16-19.
[7]邓秋玲， 黄守道， 肖锋. 表面插入式永磁同步发电机低电压调整特性[J]. 防爆电机， 2008， 43（6）：6-9.
[8]陈尔奎， 包日南， 颜景浩，等. 永磁发电机电压调整率降低方法的研究[J]. 微电机， 2013， 46（12）：17-20.
[9]康华. 基于有限元法永磁同步发电机电压调整率的计算分析[J]. 船电技术， 2014， 34（5）：66-69.
[10]OVACIK L， BILGIN B. Developments in voltage regulation of variablespeed PM synchronous alternators in automotive electric systems[C]// Applied Electronics （AE）， 2011 International Conference on. IEEE， 2011：1 - 6.
永磁同步电动机发展现状综述 篇7
关键词：永磁同步电动机,稀土永磁材料,新型控制理论,无刷直流电动机
随着20世纪70年代稀土永磁材料的发展,稀土永磁电机应运而生。永磁电机利用稀土永磁体励磁,永磁体充磁后能够产生永久磁场。它的励磁性能优异,因在稳定性、质量、降低损耗等方面都优于电励磁电机而动摇了传统的电机市场。近年来,随着现代科学技术的快速发展,电磁材,料特别是稀土电磁材料性能及工艺逐渐得以提高和改善,再加上电力电子与电力传动技术、自动控制技术的高速发展,永磁同步电机的性能越来越好。再者,永磁同步电动机具有质量轻、结构较简单、体积小、特性好、功率密度大等优点,很多科研机构、企业都在努力积极开展永磁同步电机的研发工作,其应用领域将进一步扩大。
1永磁同步电机的发展及研究现状
1.1永磁同步电机的发展基础
1.1.1高性能稀土永磁材料的应用
稀土永磁材料经历了SmC o5、Sm2Co17、Nd2Fe14B三个阶段。现在以钕铁硼为代表的永磁材料因其在磁学性能上表现优异成为应用最广泛的一类稀土永磁材料。永磁材料的发展带动了永磁电机的发展。与传统的电励磁三相感应电机相比,永磁体替代了电激磁磁极,简化了结构,消除了转子的滑环、电刷,实现了无刷结构,缩小了转子体积。这使得电机的功率密度、转矩密度和工作效率提高,且使电机体积变小,质量减轻,使其应用领域进一步扩大,促使电动机向更大功率方向发展。
1.1.2新型控制理论的应用
近年来,控制算法发展很快,其中,矢量控制算法从原理上解决了交流电机的驱动策略问题,使得交流电机具有良好的控制性能。直接转矩控制的出现使控制结构更加简单,以及具有对参数变化电路棒性能强和转矩动态响应速度快的特点。间接转矩控制技术解决了直接转矩在低速时转矩脉动大的问题,提高了电动机的转速和控制精度。
1.1.3高性能电力电子器件和处理器的应用
现代电力电子技术是信息产业与传统产业间重要的接口,是弱电与被控强电之间的桥梁。电力电子技术的发展使驱动控制策略得以实现。比如20世纪70年代出现了通用变频器的系列产品,它们能将工频电源转换成频率连续可调的变频电源,如此就为交流电的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后具有软启动能力,频率能以一定的速率从零上升到设定的频率,并且上升速率在很大范围内可连续调整,解决了同步电动机的启动问题。
1.2国内外永磁同步电机的发展现状
历史上第一台电机是永磁电机。当时,永磁材料性能比较差,永磁体矫顽力和剩磁都太低,不久就被电励磁电机取代了。到了20世纪70年代,以钕铁硼为代表的稀土永磁材料拥有很大的矫顽力、剩磁,退磁能力强和较大的磁能积使大功率永磁同步电机登上历史的舞台。现在,关于永磁同步电机的研究日趋成熟,正朝向高速度,大转矩、大功率、高效率以及微型化、智能化发展。近年来,在永磁同步电机本体上出现了很多高端电机,比如1986年德国西门子公司开发的230 r/min、1 095 k W的六相永磁同步电动机。用它为舰船提供动力,其体积比传统的直流电机小近60%,损耗降低近20%.瑞士ABB公司建造的用于舰船推进的永磁同步电动机最大安装容量达38 MW。我国对永磁电机的研究起步晚,随着国内学者和政府的大力投入,它发展得很快。目前,我国已经研制生产出3 MW高速度永磁风力发电机,南车株洲公司也在研制更大功率的永磁电机。
随着微型计算机技术及自动控制技术的发展,永磁同步电动机在各领域得到了广泛的应用。现在由于社会的进步,人们对永磁同步电机的要求更加苛刻,促使永磁电动机向着拥有更大的调速范围和更高的精度控制发展。由于现在生产工艺的提高,具有高性能的永磁材料得到进一步的发展。这使其成本大大降低,逐渐被应用于生活的各个领域。
2永磁同步电机特点及分类
2.1永磁同步电机的特点
永磁同步电动机自身结构简单,损耗低,功率因数高。与电励磁电机相比,因为没有电刷、换向器等装置,不需要无功励磁电流,因此定子电流、电阻损耗都较小,效率更高,励磁转矩更大,能控性能更好。但存在成本高,启动困难等不足。由于现在控制技术在电机上的应用,特别是矢量控制系统的应用,永磁同步电机能实现大范围调速、快速动态响应和高精度定位控制,所以永磁同步电机将会吸引更多的人进行广泛的研究。
2.2永磁同步电动机的分类
2.2.1按转子磁场形成波形的不同划分
由于永磁同步电动机转子磁钢形状不一样,转子磁场在空间分布形成的波形也有所不同,习惯上分为正弦型永磁同步电机调速系统(转子在定子上产生的反电动势是正弦波)和无刷直流电动机BLDCM(转子在定子上产生的反电动势是梯形波)。
2.2.2按永磁体在转子空间结构的不同划分
永磁同步电动机因永磁体在转子空间结构的不同分表贴式和内置式。表贴式永磁同步电动机永磁体的形状通常呈瓦片形,紧贴在转子铁芯的外表面。表贴式永磁电机的特点是直轴和交轴的电感相等。内置式永磁电机的永磁体在转子铁芯内部,永磁体外表面与定子铁芯内圆之间有铁磁物质制成的极靴。极靴起聚磁作用,可以提高气隙磁密,还可以改善空载气隙磁场波形。这种永磁电机的重要特点是直、交轴磁路不对称。这两种电机的性能有所不同,与表面式永磁电机相比,内置式永磁电机具有弱磁扩速能力强、动态响应快、齿槽转矩小等优点。
3现阶段的永磁同步电动机技术
3.1永磁同步电机设计技术
与普通电励磁电机相比,永磁同步电动机由于没有电励磁绕组、集电环和励磁柜,不仅稳定性、可靠性大大提高,而且效率也有很大改善。其中,内置式永磁电机具有效率高、功率因数大、单位功率密度大、弱磁扩速能力强和动态响应速度快等优点,成为驱动电机的理想选择。永磁体提供永磁电机的全部励磁磁场,齿槽转矩会加大电机运行时的震动和噪声。过大的齿槽转矩会使电机速度控制系统的低速性能及位置控制系统的高精度定位受到影响,所以在电机设计时,应尽量通过电机优化来减小齿槽转矩。经研究,减小齿槽转矩的一般方法有改变极弧系数,减小定子的槽口宽度,斜槽、极槽配合,改变磁极位置、尺寸和形状等。但应该注意,在减小齿槽转矩时,可能会对电机的其他性能造成影响,比如电磁转矩可能会随之变小。所以在设计时,要尽量平衡好各种因素,使电机性能达到最好。
3.2永磁同步电机仿真技术
永磁电机中永磁体的存在给设计人员计算参数带来了难度,比如空载漏磁系数的设计、极弧系数的设计。一般利用有限元分析软件计算优化永磁电机各项参数。有限元软件能使电机参数计算很精确,且利用它分析电机参数对性能的影响是非常可信的。有限元计算方法使我们计算及分析电机电磁场更方便、更快速、更准确。这是一种数值的方法,是在差分法的基础上发展而来的,现已被广泛运用于科学和工程领域。用数学方法把一些连续的求解域离散成一组组单元,再在每个单元内分片插值。这样就形成了一个线性插值函数,即近似函数利用有限元进行仿真分析,它可以让我们直观地观察电机内部磁场磁力线走向和磁通密度的分布。
3.3永磁同步电机控制技术
提高电机驱动系统性能对工业控制领域的发展同样具有重要意义,它使系统处于最佳的性能驱动,其基本特点体现在速度较小方面,尤其是在快速启动、静止加速等情况下,能够输出较大转矩;而在高速行驶时,可以实现大范围内的恒功率调速控制。表1为几种主要电机性能的比较。
从表1中可以看出,永磁电机有很好的可靠性,且调速范围宽,效率较高。如果以相应的控制方法配合,能使电机的整个系统发挥最好的性能。因此,要选合适的控制算法来达到高效调速,从而使电机的驱动系统在相对较宽的调速区域、恒功率区间运行。
矢量控制方法在永磁电机调速控制算法中使用较广,它有调速范围广、效率高、可靠性高、稳定性好、经济效益好等优点,被广泛应用于电机驱动、轨道交通及机床伺服等领域中。由于用途不同,所采用的电流矢量控制策略也是不相同的。
4永磁同步电动机的设计方法分类
4.1磁路法
电机中分布不匀的交变磁场可等效成相应的磁路,使磁场计算转化为磁路计算。由于等效磁路计算中采用较多修正系数,因此无法通过理论计算出其精确值。一般使用经验数据。如果初步设计出来的方案不满足设计需要,设计者必须重新选定修正值再次计算。
4.2有限元法
为使计算准确,需对电磁场进行分析,比如永磁磁极形状与尺寸、局部退磁现象等。用有限元软件对电磁场数值计算分析,节省了产品的开发成本,为电机的优化设计提供了准确的依据。计算机性能的提高使得电磁场数值计算理论的各种分析方法得以发展。有限元法实质是将问题转化成适合数值求解的结构性问题,它将无限个自由度的连续系统理想化成有限多个自由度单元集合。目前,最常用的有限元仿真软件是ansoft,它能对整个电机系统进行联合仿真。
4.3场路结合法
磁路法计算速度虽快,但是精确度不高,计算机计算精确度高,但计算较慢且对计算机要求较高。因此,将有限元法与传统的磁路法相结合应用到电机电磁的数值计算中,不仅可以提高计算效率,还可以提升精度。这对电机参数设计有很大的实用价值。场路结合法的基本思路是先参考磁路计算结果,初步建立几何模型,然后通过有限元进行磁场分析,准确计算出等效磁路法中需要修正的系数。
5永磁同步电动机发展趋势
5.1永磁无刷直流电动机(BLDCM)
自20世纪80年代起,控制技术,尤其是控制理论策略发展很快,其中一些先进的控制策略,比如滑模控制、变结构控制等正在被引入永磁无刷电动机的控制器中。这为推动高性能向智能化、柔性化、全数字化的发展开辟了新途径。现在人们生活水平越来越高,保护生存环境的意识不断增强,使用高性能的电机系统成为电机产业发展的必然趋势,并且将来也会在电动车、家用电器等小电机行业中得到更广泛的应用。
5.2 PMSM的发展趋势
PMSM伺服系统因其自身技术和应用领域,将会朝着2个方向发展:①办公自动化设备、简易数控机床、计算机外围设备、家用电器及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简易、低成本伺服系统;②高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给驱动,以及航空、航天用的高性能全数字化、智能化、柔性化的伺服系统。后者更能充分体现伺服系统的优点,它将是今后发展的主要方向。
参考文献
[1]Shoudao Huang,Guangsheng Wang,Jian Gao,et al.Optimization Design Of Permanent Magnet Synchronous Servo Motor With New High Dynamic Performance.International Conference on Electrical Machinas and Systems,2011.
[2]王广生,高剑,浦清云,等.不同定转子结构对表贴式永磁电机齿槽转矩的影响[C]//湖南省第四届研究生创新论坛,2011.
[3]Studer C,Keyhani A,Sebastian T,et al.Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines.Electric Machines&Power Systems,1997,27(7):665-678.
[4]Dutta R,Sayeef S,Rahman M F.Cogging Torque Analysis of a Segmented Interior Permanent Magnet Machine.International Electric Machines&Drivers,2007(5):781-786.
[5]王莹,唐任远,曹先庆,等.内置式永磁同步电动机弱磁控制实验研究[J].微电机,2008,41(11):1-4.
[6]李静,程小华.永磁同步电机的发展趋势[J].防爆电机,2009,44(5):1-4.
[7]徐衍亮.电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究[J].山东大学学报,2002,32(5):31-37.
[8]林河成.稀土永磁材料的现状及发展[J].粉末冶金工业,2010,9(2):47-52.
[9]刘立军,张映明,康基宏.自启动永磁同步电动机研究开发与分析[J].电气技术,2010,11:017.
[10]Tseng K J,Chen G H.Computer-aided design and analysis of direct-driven wheel motor drive.Power Electronics IEEE Transactions on,1997,12(3):517-527.
永磁直线同步电动机控制策略研究 篇8
关键词：永磁直线同步电动机,控制策略,伺服系统
0 引言
随着科技的快速大发展, 目前的电动机是以一种直线的较为新型的电动机, 电能可以转换成为直线方式的运动, 其间不需要有其他转换设备的电磁装置, 由旋转的电动机渐渐转的发展过来的。将旋转的电动机按照镜像方式打开, 将电动机按照原有的圆周进行系统直线的开展, 得到了线性的电动机。直线的电动机的工作原理, 与旋转形式的电动机相类似, 在相关缝隙中进行有效的磁场效应, 而不是进行磁场的旋转, 是具有直线性效果的, 其方向通过正弦方式进行有效的分布, 逐渐平移的磁场效应。与旋转的电动机相互比较, 直线的电动机具有几种异步效应感应。直线性电动机和同步的直线性电动机、直流的电动机, 以及其他类型的直线的电动机。直线电动机是按照平板型、弧线型、管线型进行有效的分析, 对各种类型的直线的电动机, 不适合其他方式方法的应用领域。永磁性同步直线的电动机, 在效能能指标和定位的精度和速度上, 以及效率等方面, 比其他的直线性电动机具有更加多的优势, 在许多现代化的, 具有高精密的直线性驱动的控制管理系统中, 永磁直线性同步的电动机是一种具有理想性的直线性伺服电动机, 永磁直线性同步电动机的平滑运行, 对推力脉动具有不明感, 直接使用直线的伺服电动机。
1 交流伺服系统
交流伺服系统是一个具有较高的非线性、强耦合性和复杂的变化性系统, 随着系统运行过程中产生了具有不同的程度的干扰, 这造成了控制难度的逐渐增大。策略上, 基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法与开环磁通轨迹控制方法都很难以达到良好的伺服特性, 目前大多数应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法, 这是现代伺服系统的核心控制方法。
2 永磁直线性的同步电动机具有的控制方法
经典永磁直线电动机, 通过对同步的控制系统进行有效的控制, 对非PID的控制器件做一个合理的实验方法, 完成有效的控制, 在实际的直线性电动机中, 伺服的控制系统中得到了广泛的应用。通过对DSP实现直线电动机的PID控制, 在直线性电动机中, 对系统进行P型的控制, 包括对PI型的速度, 有效控制器的合理化。PIO控制方法, 通过对被控制的相关对象, 进行模型参数分析, 寻求合理的变化。在鲁棒性能不缺定的时候, 通过PID的系统控制, 降低整体的耗费时间。因香瓜参数的时间具有一定的互相性, 产生一定的影响, 造成系统控制难以完成较好的效果。目前的PIO控制, 通过与其他的控制相互联系, 分析策略之间的相互关系, 逐渐形成复合的系统, 使其具有一定的智能新型控制, 提高复合控制这个系统的整个管理。直线性的电动机是具有多变性的, 伺服系统有多变系数, 其具有强烈的控制效果, 耦合的非线性可以保证系统的控制, 人们往往通过转子的磁链, 进行定向的矢量定位, 保证解耦的控制小姑, 消除励磁的控制, 实现回路的耦合, 推进控制系统的耦合管理, 从而可以使控制回路分别受到控制, 即预估器可以与其他器件进行互联, 实现控制器时间的有效补偿, 使控制器的工作时间可以发展, 加深时间的滞后效果管理, 实现完全性的补偿。这种设计的控制器具有一定的独立性, 不需要考虑时间延迟的影响, 从而解决直线性电动机的延时问题, 保证伺服系统的延时问题, 在电力传输系统中, 解决延时问题, 提高速度测量的滞后问题, 及时反馈相关速度滞后的原因, 保证整个系统的影响效果。
3 永磁直线性同步电动机的现实控制管理
现代的控制策略, 通过对系统进行自我控制, 保证自适应能力的有效控制。鲁棒控制问题, 预见性控制问题, 滑模变结构控制问题, 三者之间有一定的相关作用。
3.1 常见的 (自觉适应) 的控制系统
自觉适应是一种相互结合的理论, 将反馈的控制辨识, 研究相关理论。通过控制性能指数, 完成最大化控制指标。通过有效的控制调节, 保证对象系统的调整, 完成基于现代的理论控制系统, 对状态空间进行管理和控制。目前, 较为成熟的模型可以很好的完成数据校对, 其相关参考具有自觉适应的控制能力, 具有自我校正的系统管理。通过对自觉适应系数的分析, 完成系数的调整, 保证稳定化系统的相关误差, 渐渐的趋于零, 保证系统自觉的适应的速度。因此, 通过对直线性电动机的控制, 伺服系统可以完成模型直线性分析, 有效的直线性电动机的模式控制, 从而实现电动机的相关参数的逐渐变化。但对于具有高频系数的干扰问题, 没有较好的干扰显示效果。
3.2 常见的的控制管理系统
鲁棒的控制管理是对模型进行研究, 通过各种不确定因素研究完成系统控制, 控制系统的各项性能指标, 从而保证扰动下的敏感程度。鲁棒控制理论具有较为多的实验, 实现实验结构分析, 保证实验结果的准确性, 鲁棒具有合理的控制管理, 鲁棒的最高控制可以有效的处理, 完成系统的扰动问题, 从而计算函数确定传递数据, 使最大范围数可以进行一定的限制, 设计出的控制其可以对抑制扰动产生良好的效果。
在实验中通过对鲁棒的最大控制, 保证其应用效果, 在不确定性的时变性完成伺服系统, 保证其有效的控制。这种方法是具有多级反馈的, 在结构上对多环进行反馈, 通过反馈的补偿问题, 提高解决的负载性的扰动。在控制的策略管理上, 采用鲁棒的最大性控制, 完成标准的策略管理, 从而保证整个系统的参数测量, 完成不确定性的相关问题, 对于不确定性的外部扰动, 具有较为良好的抑制效果, 将时变的相关参数进行控制, 对不确定性的系统的最大值进行控制, 转换为一个等价的系统管理, 具有的参数的不确定造成了线性传递, 是不变的系统管理控制。图1表示的是系统的结构图, 其中1/ (MS+D) 是电动机的标称模型, D为粘滞摩擦的系数, KT为推力的系数, M是动子产生的质量, KS是位置的调节器, KI是积分项的系数, 而K是最大控制器。预见控制是通过对目标值的检测, 对干扰信号情况进行控制, 使目标值、被控制量可以偏差值降低, 误差逐渐变小。预见控制的伺服系统中的一种, 是在普通的系统中的基础, 通过对未来的信息分析, 进行有效的反馈, 对补偿问题构成极大数值降低, 减小了目标的控制值, 保证了被控制的数量, 其相位具有一定的延迟作用, 使被控制量不能进行系统追踪, 可以在没有延迟状态下, 完成时变系统的跟踪。
滑模的变的非线性控制是一种特殊的控制, 其本质是具有一类的特殊性问题, 非线性控制不具有联系性, 使非线性表现为控制下的不连续性效果。由滑动模块进行设计, 与控制的对象数据无关, 即与相关参数和扰动情况无关, 使滑动模块可以具有结构控制, 完成快速响应效果, 对相关参数统计不足, 对扰动变化不敏感, 不需对线性系统分析, 辨识和设计。因此, 通过在直线性电动机, 伺服系统中的分析, 得到良好的控制应用方式, 在滑模变结构控制的抖阵控制中就是一个重要问题。通过对滑模的现象的控制, 可使系统的相关参数发生变化, 外部的扰动性具有一定的数据特点, 完全的自觉适应, 可以保证系统的有效性, 大大的降低了推力的纹波效率, 对系统的抖阵, 在滑动模态中对进度进行控制, 实现积分的链接, 进一步降低系统的抖阵, 保证系统的整体性, 完成系统的稳态状态, 防止产生误差, 从而实现电动机结构控制, 对于永磁的直线性同步电动机, 保证个滑模结构的控制。图2是电流内部的电流控制, 是跟踪控制的系统, 合理的对动子电流进行分析, 使矢量和定子的磁场交换, 完成空间上相关数据的分析, 从而令电流的去磁分量为零。
通过对不连续的项来抑制, 在滑模变结构控制中, 对扰动的影响和参数进行分析。因此, 在不连续的幅值变化中, 对最小变化进行扰动量分析, 随着参数的检测, 对电流的增加进行控制。如果对扰动进行观测, 及时补偿, 就可以降低幅值, 保证控制的不连续的幅值数据。直线性伺服的电动机的端口, 具有效应力、推进力, 会对系统产生一定的影响, 端效应的产生影响推力纹波的快速变化, 造成数据较为缓慢, 通过设计出相关的检测数据, 对观测器的负载进行推力, 保证推力的扰动情况, 进行动态观测。由于滑模变结构控制的方法, 存在一定的回避抖阵, 通过扩展滑膜观测器从而是实现对于所需分子的速冻、负载动力和加速度的控制, 从而保证现行化和滑膜观测器完成非线性闭环系统的稳定性。
3.3 智能控制的策略
智能控制是基于数字模式的分析, 研究数字模式, 寻求合理的目标控制, 找出实际的解决办法, 是数字系统, 解析和知识分析, 系统的广义系统模型, 是智能控制人脑思维, 具有非线性特点的控制方法, 可以对环境进行系统控制, 保证对象、环境的准确性, 系统进行多方位的控制, 在直线电动机伺服系统中较为成熟的应用是模糊控制、网络控神经制。
模糊控制是以工程人员的工作经验, 加上模糊逻辑推力, 以计算机实现的一种控制, 具有不依赖控制对象的使用原则, 较为广阔的使用范围, 突出线性时变的优势, 对非线性负载进行鲁棒处理, 模糊控制的硬件芯片已经商化, 实用性高。对非线性和时变负载有一定的鲁棒优势。例如, 对于直线性电动机, 以非线性的系统控制, 加强变化负载的效果, 将模糊控制系统、PID控制系统, 显示系统的模糊, 进行控制方法的分析, 从而确立其优势, 模糊控制系统的方法, 提高智能性工作方式, 对传统的模糊系统, 控制其策略, 加深控制的规律, 加大工作人员的相互配合, 完成系统的整体过程, 控制精度的低发展。目前的直线性系统, 在控制的过程中, 完成对模糊系统的控制, 加深系统的应用, 加强其他控制系统的应用效果, 控制相互的符合。例如, 将自觉适应的模糊系统, 控制其混合的模糊控制、使其具有较为充分的使用效果, 通过加深对于PID系统的控制、混合模糊控制各有其自身的特点, 在直线性伺服系统中, 完成系统的有效控制, 提出给予的模糊系统推理方法, 控制自觉检查的PID系统控制, 分析结果, 证明可以更好的完成适应的环境, 保证系统的变化, 从而满足工作化发展, 在工作过程中, 对伺服电动机进行管理。利用遗传诉法, 对离线进行优化设计管理, 从而得到最优的相关参数, 从仿真程序系统中, 有效的得出参数的优化系统控制, 保证模糊系统的稳定性、优质性和系统管理性。基于模糊性的自觉交流管理, 对直线性系统的滑模系统进行控制, 可以过对模糊自觉学习规划, 研究适合实际系统的发展的, 具有不确定性因素的, 控制其在线的学习, 对滑的模切换控制方向、幅值需要进行实时的控制, 从而大大的降低滑模系统的抖阵。神经网络具有存储功能, 可以对信息化分布的存储、通过并行的处理, 非线性逼近完成自觉学习的特点, 在直线伺服控制领域有明显的应用前景。通过对传统的PID系统分析, 以神经网络的电动机相关参数, 进行系统在线辨识、跟踪, 通过对磁通、转速的控制器, 完成自适应调整。结合的模型参考数据, 自觉适应控制效果, 将神经网络的控制器应用与控制器, 具有用于自觉的应速度控制器, 将非线性神经网络控制和滑模控制系统结合起来, 构成双自由度的控制, 从而有效解决直线伺服系统跟踪性能问题, 鲁棒性能问题, 二者之间的矛盾。与小波技术结合, 通过鲁棒小波神经元的控制, 对单纯采用神经网络化学习的速度进行缺陷控制, 保证控制系统的稳定性、能动性和自学速率等等。除了模糊控制和神经网络控制系统外, 将智能控制应用于直线伺服系统的研究是未来需要专家系统研究的问题。
3.4 直线性同步电动机的未来发展
直线性同步电动机的系统, 在国内外的研究中寻求高性能直线电动机伺服控制策略那就方面的各类数据和实际例证, 提出具有合理建设性意义的思路, 从而提出一些具有实际应用方面的成果。伴随着控制对象的复杂程度, 加深控制要求, 采用单一的控制策略已经不能够完成控制策略, 加深永磁直线同步电动机的控制策略分析, 从而更好的完成未来控制策略, 保证控制策略的有效控制。
采用现代的控制方式, 例如, 鲁棒控制系统方式、滑模变系统结构的控制, 对直线性电动机系统的非线性问题控制, 保证系统环境的抗干扰能力得到有效的控制, 保证二者有效的结合, 保证其实际的应用价值。加深智能控制的控制管理, 对具有复杂的对象的分析, 以新的系统控制方式, 解决相关思路方法, 完成系统的有效控制。将智能系统控制与其他方式相结合, 保证其他的控制系统方法的有效结合, 形成变化更加合理、加深优质的直线性系统维护。随着20世纪的到来, 未来的高效数字信号系统, 微电路集成系统, 专用电路的相关系统技术, 三者的综合发展, 带动系统性策略管理, 有效的实现具有坚实的理论和丰富的知识基础的技术系统。直线性电动机可以用于交通管理, 发挥其优质的控制管理体系, 以优质的交通规划管理形式, 完成交通管理的控制。高精度的特点保证了精度要求高的加工领域的技术发展, 从而更好的完成相关应用效果。在整个发展过程中需要提高技术水平, 以优质的控制完成技术系统控制, 保证控制方法的有效解决, 针对不同环境, 不同条件, 不同系统, 完成对于系统的运用, 从而保证技术的有效发展, 以控制对象为管理理念, 加深系统管控的相关方式, 保证目标的有效实施性, 完成控制设备的管理, 提高直线性电动机的系统分析。
4 结语
综上所述, 通过对直线性同步电动机的控制进行数据的介绍和分析, 对交流伺服系统, 自觉性的控制系统、鲁棒的管理控制系统、非线性结构控制系统、智能控制系统的分析, 从而认识到系统的有效性, 从中研究出各类管理电动机的策略控制的方法, 研究策略控制之间是如何通过协同完成电动机的有效控制, 保证实际永磁直线同步电动机的管控效率, 加快高效率、智能化系统管控, 在鲁棒的管控系统控制中, 在滑模结构的变化系统中, 认识到系统控制的优质性, 从而寻求更加适合目前直线电动机控制的有效策略方法, 应用与实际的目标控制, 从而保证设备对于实际的应用方法的实施, 保证实际设备的有效应用策略控制方法的实现, 保证策略控制的有效开展, 从而完成对于永磁直线同步电动机的研究任务。
参考文献
[1]焦留成.永磁直线同步电动机特性及控制[M].科学出版社, 2014.
[2]任志斌.电动机的DSP控制技术与实践[M].中国电力出版社, 2012.
永磁同步电机的模糊滑模控制 篇9
关键词：滑模控制,模糊控制,永磁同步电机
0 引言
永磁同步电动机由于其体积小、效率高、结构简单可靠、转矩大和鲁棒性强等优点,被广泛地用于高精度位置控制的伺服系统。但是,“抖振”问题成为滑模控制器应用的障碍。本文将模糊控制和滑模控制相结合,采用模糊规则,利用滑模到达条件对切换增益进行估计,并利用切换增益消除干扰项,从而消除抖振,使得PMSM伺服系统对负载干扰和参数变化具有很好的鲁棒性。
1 永磁同步电机伺服系统数学模型
带有正弦感应电动势的永磁同步电机的电磁转矩方程如下:
其中:Pn为磁极对数;id、iq分别为d轴、q轴定子电流;Ld、Lq分别为定子绕组d轴、q轴电感;Lmd为定子、转子间的d轴互感;Ifd为永磁体的等效d轴励磁电流;J为转动惯量;Q为阻尼系数;TL为负载力矩;ω为转子角速度。
根据矢量控制理论,控制d轴电流id=0,则式(1)变为:
其中:Kt为力矩增益,undefined。
取状态变量undefined为转子转角。则永磁同步伺服电机驱动系统的状态方程为:
其中:undefined;undefined;undefined;u(t)=iq。考虑到式(4)中的不确定性,则有:
其中:ΔA、ΔB和ΔD为由系统参数J、 B、Kt、TL所引起的不确定性,将式(5)重新阐述为:
其中:E(t)=B+ΔAx(t)+B+ΔBu(t)+B+(D+ΔD)TL,B+=(BTB)-1,BT是假逆变。
状态式(6)可描述为:
其中:undefined。
2 模糊滑模控制器的设计
2.1 滑模控制器的设计
设r为位置指令,则误差e为:
设全局动态滑模面为:
其中:c>0;F(t)是为了达到全局滑模面设计的函数,F(t)=s(0)exp(-λt),λ>0,s(0)为初始时刻的s(t)。
定义Lyapunov函数为undefined。则:
所以滑模控制律为:
其中:K(t)为切换增益,K(t)=max(|E(t)|)+η,η>0。
将式(11)代入式(10)得:
则:
综上所述,根据李亚普偌夫稳定性定理,可得undefined,即undefined,系统状态式(4)输出渐近跟踪指令r。
2.2 模糊控制器的设计
滑模存在的条件为:
当系统到达滑模面后,将会保持在滑模面上。由于K(t)为保证系统得以到达滑模面的增益,所以其值必须足以消除不确定项的影响。模糊规则为:①如果undefined,则K(t)应增大;②如果undefined,则K(t)应减小。
设undefined为系统输入,ΔK(t)为系统输出,根据模糊规则,系统输入、输出的模糊集定义如下:
undefinedNM ZO PM PB} ,
ΔK={NB NM ZO PM PB} 。
其中:NB、NM、ZO、PM、PB分别为负大、负中、零、正中和正大。
模糊系统的输入、输出隶属函数分别见图1、图2。
采用积分的方法对K(t)的上界进行估计:
其中:G为比例系数,G>0。用undefined代替式(11)中的K(t),则控制律变为:
控制系统的结构框图见图3,其中,y为系统输出。
3 系统仿真分析
以永磁同步电机模型的位置跟踪为例,被控装置包括转台、减速器和执行电机,折算到电机轴上的转动惯量为0.019 6 kg·m2,额定转速为1 600 r/min,额定电流为3 A,磁极对数为2,阻尼系数为0.002 8。期望信号为r=sin(2πt),系统不确定项和外部扰动为E(t)=2sint。采用式(17)的控制律,取G=400,c=150,λ=10,得到仿真结果见图4和图5。由图4、图5可见基于模糊规则的滑模控制已经解决了滑模变结构控制的‘抖振’问题。
4 结语
从以上仿真结果可知,基于模糊规则的滑模控制可有效地消除干扰项,从而消除‘抖振’,而且系统对外部干扰力矩有很强的鲁棒性,并且在参数变化的情况下,仍能保持系统的鲁棒稳定性,跟踪精度和暂态性能良好。
参考文献
[1]高为炳.变结构控制的理论及设计方法[M].北京:科学出版社,1996.
[2]陈兴国,钟定铭,王力,等.自适应模糊滑模控制裹包机PMSM交流伺服系统[J].包装工程,2005(12):58-62.
[3]Chen J Y.Eepert SMC-based fuzzy control with geneticalgorithms[J].Journal of the Franklin Institute,1999,336:589-610.
[4]M H Perng,H H Chang.Intelligent super vision of servocontrol[J].IEE Proceedings-D1,1993,140(6):405-412.
永磁同步电动机的设计与仿真 篇10
永磁同步电动机具有动态响应性好、输出扭矩大、高效节能、振动小和噪声低等优点, 成为高精度、微进给伺服系统的最佳执行元件之一, 并在各个领域中得到越来越广泛的应用[1]。
分数槽永磁同步电动机电枢冲片少、电枢铁心制造工艺相对简单, 电机线圈端部较短, 端部损耗少, 并能够减少由于齿槽效应引起的定位力矩, 已经成为研究的热点[2]。但由于分数槽电机每极不对称, 导致气隙磁场谐波含量多, 谐波磁场相互作用会产生大量的径向电磁力波, 且会带来转子铁损耗变大、某些槽配合具有不平衡磁拉力以及振动噪音变大等负面影响[3,4]。国内学者多采用优化定、转子结构以减小齿槽转矩或通过优化控制器减小谐波电流等方法来降低分数槽永磁同步电动机的振动和噪声。参考文献[5-7] 通过调整永磁体极弧系数、添加辅助凹槽、磁极开槽来减小电机齿槽转矩以降低电机的振动。参考文献[8-9] 提出一种通过在分数槽永磁同步电机的电枢绕组注入一定补偿电流的方法, 来抵消、降低电机的电磁振动。
本文设计的8 极24 槽永磁同步电动机主要作为注塑机的驱动电机, 该电机振动小、噪声低、输出转矩大。完成了电磁方案的设计, 给出了确定主要尺寸的分析过程, 利用Ansys Maxwell软件建立了电机的二维有限元仿真模型, 对电机的静态和动态性能进行了仿真, 包括电机磁密云图、空载气隙磁密、齿槽转矩等参数进行了仿真计算, 最后通过试制样机, 验证了电磁设计和仿真分析的正确性。
1 主要尺寸的确定
1.1 主要技术指标
本方案电机额定电压为交流310V, 额定输出功率为11.8kW, 额定转速1500r/min, 额定电流22.9A, 最大转矩倍数2.0。
1.2 电机主要尺寸的确定
电机的主要尺寸和计算功率、转速、电磁负荷有关, 即:
Di1为定子内径, 取110mm ;nN为额定转速, 本方案为1500r/min ;L为计算长度;P'为计算功率, 取1.05×PN=12.4kW ;αp为计算极弧系数, KNM是气隙磁场波形系数, 取0.7, 正弦波磁场取1.11, Kdp为绕组系数, 本方案为8 极24 槽, 跨距取2, Kdp=0.866。本文所设计电机因自带散热风扇, 故电密度A可取稍大些, 为400A/cm, 永磁材料采用高剩磁、高矫顽力的钕铁硼永磁体N35SH, 气隙磁密Bσ=0.95T, 为提高电机的动态响应速度, 设计时考虑取较大的主要尺寸比, 以减小转动惯量, 最后取转子外径108mm, 转子铁心长度160mm, 加大定子外径可提高电机效率, 结合实际生产工艺, 取175mm。
1.3 磁钢形状
相同条件下, 整数槽配合的永磁电机的齿槽转矩比分数槽的要大, 为了减小整数槽电机的齿槽转矩, 一般可通过采取优化磁钢形状降低电机的齿槽转矩, 其中磁钢偏心距和极弧系数对齿槽转矩的影响最大。所以必须选取合适的磁钢形状减小齿槽转矩以弥补整数槽电机的不足之处。本文所设计电机的主要参数如下, 定子槽数:24 槽;极数P =8 ;转子结构:表面凸出式;磁钢材料:N35SH ;磁钢厚度:3mm ;极弧系数:0.885;最小气隙:1mm;磁钢偏心距:14mm;定子外径/内径:75mm/110mm;电枢长度:160mm;转子外径/内径:108mm/48mm ;每槽导体数:52 ;绕组形式:双层叠绕组;并联支路数:2。
2 电动机静态场有限元仿真分析
2.1 永磁同步电动机二维静磁场模型建立
本文利用Ansys RMxprt模块初步完成电机的磁路法计算, 再一键导入生成Maxwell2D模型, 然后删除电机模型中的转子部分, 留下电机定子部分;接着在CAD软件中绘制电机转子模型, 导入到定子模型中, 生成完整的Maxwell2D模型如图1所示。仿真步骤如下: (1) 根据参数画出电机模型图; (2) 确定电机的各种材料属性; (3) 确定边界条件、设置有限元剖分大小等; (4) 设置铜耗、铁耗、涡流损耗等; (5) 设置负载、求解步长、运动边界等。
2.2 气隙磁密
一对极下的气隙磁密分布如图2 所示。
从图2 可以求得静磁场气隙磁场磁密最大值Bδmax=0.940T, 平均气隙磁密Bδavg=0.631T, 计算极弧系数Bδavg/Bδmax=0.631/0.940=0.671, 与设计值0.7相比, 误差不大, 证明了设计的合理性, 理想正弦波的计算极弧系数应该是0.637, 可以预见, 本文电动机的气隙径向磁密正线性会比较好。
2.3 空载磁密云图
电机磁场分布比较均匀, 仅仅在部分齿尖处磁密过高, 其他区域磁密都在合理范围内, 说明电机尺寸设计比较合理。空载磁密分布如图3 所示。
2.4 空载气隙谐波磁场分析
在Maxwell场计算器中, 建立公式Bair=BX×cos (PHI) +BYsin (PHI) , 其中Bair是径向磁密, BX是Bδ的X轴分量, BY是Bδ的Y轴分量, PHI是柱坐标角度, 然后通过后处理, 得到径向磁密波形如图4所示, 图中一对极下波形对称, 符合整数槽电机磁密分布特点。
气隙磁场谐波傅里叶分解如图5 所示, 各次谐波幅值如表1 所示。
永磁同步电动机需要正弦的反电势以产生平稳的电磁转矩, 气隙磁场是否正弦分布将很大程度上决定反电势的正弦性。在通常的转子磁路结构中, 由于定子齿槽的影响, 永磁体产生的气隙磁场并不全是标准的正弦分布, 因此有必要对气隙磁场波形进行分析和优化, 而优化后的气隙磁场对电机性能的提高有重要意义。
从图5 和表1 可看出除3 次谐波和定子一、二阶齿谐波 (5、7 次和11、13 次) 幅值较大外, 其余谐波均比较小, 谐波正弦畸变率为15.0%, 这说明选择合适的磁钢形状可以优化气隙磁场波形, 有利于降低电机的振动和噪声。
3 电动机瞬态场有限元仿真分析
3.1 空载反电势
空载反电动势E0是永磁同步电动机一个非常重要的参数, 是由电动机中永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应产生, 其值为:
式 (2) 中, Nφ为每相绕组串联导体数;φ10为气隙基波磁通;E0的大小不仅决定电动机是运行于增磁状态还是去磁状态, 而且对电动机的动、稳态性能均有很大的影响, 合理设计E0, 可降低定子电流, 降低电动机的温升。设计实践表明, 所有设计比较成功的电动机, 其E0与额定电压的比值均在一定的合理范围内[10], 可求得φ10=0.00412Wb。从而根据式 (2) 求得E0=164.7 V对上图的反电动势进行傅里叶分解, 得到E0=165.2V, 与仿真结果比较接近, 证明了设计的可靠性。图6为反电动势波形图。
3.2 电磁转矩及电流仿真波形
在Maxwell2D中采用电压源激励, 相电压幅值179V, 额定功率角度取自磁路法计算结果, 其值为20.6°, 电磁转矩、电流波形如图7、图8 所示。
从图7、图8 可看出电机的起动时间为0.04 s。稳定后的电磁转矩77.2N·m, 电流23.9A。算上机械损耗、杂散损耗, 则输出转矩约为75.7N·m。
3.3 齿槽转矩
在Maxwell 2D中, 为了更加精确的仿真齿槽转矩曲线, 需要将电机转速设置得很小, 电机转速设为1 (°) /s。由于每个齿占15 机械角度, 仿真一个周期需要将仿真时间设为15s, 齿槽转矩如图9 所示。从图中可得到齿槽转矩的变化范围为-500 ~570mN·m, 占额定输出转矩的0.7%。
4 样机试验及对比
根据上述参数制作了样机, 计算值与试验值对比见表2。空载时噪声为58dB, 负载时噪声为63dB。
从表2 可以看出, Maxwell的计算值跟样机实测值十分接近, 误差小于5%, 在工程允许的误差范围内。噪声值和过载倍数也达到了设计要求, 验证了设计和仿真的可靠性。
5 结语
本文设计了一款8 极24 槽、1500r/min的整数槽永磁同步电动机, 完成了电机的磁路法设计和有限元仿真分析, 得到了电机空载气隙磁密曲线、反电动势波形曲线、齿槽转矩曲线、负载电流波形和电磁转矩波形, 仿真结果表明气隙磁密谐波少、畸变率低、反电动势正弦性好。样机试验结果达到了设计要求, 与设计值误差在5% 以内。同时样机并未出现明显振动和电磁噪声, 证明采用整数槽可有效地降低电机的振动和噪声。
参考文献
[1]暨绵浩.永磁同步电动机及其调速系统综述和展望[J].微特电机, 2007, 35 (3) :49-52.
[2]张汉允, 上官璇峰.分数槽自起动永磁同步电机的设计研究[J].微电机, 2011, 44 (5) :13-16.
[3]Bianchi N, Fomasiero E.Impact of MMF space harmonic on rotor losses in fractional-slot permanent-magnet machines[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24 (2) :323-328.
[4]Dorrell D G, Popescu M, Ionel D M.Unbalanced magnetic pull due to asymmetry and low-level static rotor eccentricity in fractional-slot brushless permanent-magnet motors with surfacemagnet and consequent-pole rotors[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2010, 46 (7) :2675-2685.
[5]王秀和, 杨玉波, 丁婷婷, 等.基于极弧系数选择的实心转子永磁同步电动机齿槽转矩削弱方法研究[J].中国电机工程学报, 2005, 25 (15) :146-149.
[6]王兴华, 励庆孚, 石山.永磁电机磁阻转矩的抑制方法[J].西安交通大学学报, 2002, 36 (6) :576-579.
[7]高强, 韩力.磁极开槽法抑制永磁电动机齿槽转矩研究[J].微电机, 2008, 41 (12) :1-4.
[8]杨浩东, 陈阳生.分数槽永磁同步电机电磁振动的分析与抑制[J].中国电机工程学报, 2011, 31 (24) :83-89.
[9]廖勇, 甄帅, 刘刃, 等.用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动[J].中国电机工程学报, 2011, 31 (21) :119-122.
永磁同步 篇11
摘要：分析了表面式与内置式永磁同步发电机转子结构上的差异，选定电机的转子结构型式，对永磁同步风力发电机的性能特点进行了分析和研究，计算了2，935 Mw高速永磁同步风力发电机的电磁方案，对上述确定的电磁计算方案，利用有限元软件进行仿真，分析了发电机的空载、负载、短路特性，研究了电压波形正弦性畸变率、齿槽转矩、功率因数、短路电流的计算，经验证，各项性能满足设计要求，
关键词：有限元方法；永磁电机；风力发电；电磁设计；性能分析
DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.019
中图分类号：TM301.4
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）04-0101-05
0引言
近几年环境污染愈发严重，新能源的研究和利用越来越受到人们的重视，而风能由于其分布面积广、总量大等特点成为可再生能源中的研究热点，风力发电逐渐变成除火电、水电、核电之外的第四大发电方式，目前在国内半直驱永磁同步发电机的设计还处于探索阶段，设计方法还不成熟，因此研究Mw级半直驱风力发电机将会有利于提高我国风力发电设计的整体能力，推进风力发电行业的发展，加快我国风电机组的国产化步伐，缩小我国与发达国家风电技术上的差距，为我国的环保与能源事业尽一份力。
永磁发电机的优点是不需要电励磁，可实现无刷化，无励磁损耗，效率高，同时可以提高电机的功率密度，虽然发电机成本增加，但对于降低机组的振动噪声和提高运行可靠性有着重要意义，文对永磁同步电机气隙磁密的影响因素进行了分析，文应用傅里叶分解得出了传统的多相异步电动机谐波电流与建立的谐波电势的关系，谐波次数较低，忽略了高次谐波，文对传统电励磁的同步发电机定子斜槽的空载电压波形进行了数值计算，同时对齿磁通进行了计算，文通过非均匀气隙法、多段磁钢法、调整磁极宽度、斜槽法等方法，优化气隙磁场来改善电机性能，本文利用有限元软件对电机进行空载、负载、短路性能分析，主要包括空载电压，齿槽转矩、负载电磁转矩、功率因数的分析。
1.永磁同步发电机的转子构造
永磁同步发电机在转子尺寸确定的情况下，选择不同的转子结构，永磁体体积不同，永磁体提供的磁通量也会不同，从而永磁同步发电机的性能参数也会不同，
图1为永磁同步发电机几种转子结构，现分析转子结构并选取转子模型，假设永磁同步发电机转子的长度为L，外径为R，内径为r，假设永磁体径向充磁方向长度为h，切向为2h，估算各种转子结构的永磁体提供磁通的最大截面积A。，
永磁体提供磁通的最大截面积，图1（a）为：
对于6极永磁同步电机，转子内外径的比值大约是0，4，现取0，4进行估算，得到不同结构的永磁体截面积值，如表1所示，
虽然在表l中所得的数据是估算的，但是可以从中得到磁通面积变化趋势，从表1中可以看出，内置式W型磁钢提供的磁通面积最大，其次是内置式u型磁钢，对于半直驱永磁同步发电机而言，应优先选取内置式V型，U型，W型磁钢本文电机选取U型磁钢，此种电机有以下一些特点：
1）此结构较表面式永磁发电机简单，省去了导磁性的不锈钢套环，
2）由于没有套环，所以其等效气隙小，与使用相同磁钢的表面式永磁同步发电机相比，此结构主磁路磁阻小，可获得更高的磁通密度，
3）由于磁钢端部产生漏磁通，所以通常在不影响机械强度的前提下，在磁钢端部用磁导率与空气材料相同的材料做延伸，降低磁钢端部漏磁，
4）由于磁钢内嵌入转子铁心，而转子铁心内空间较大，所以磁钢形状及排布可以有更大的自由选择空间，
5）内置式永磁同步发电机与表面式永磁同步发电机相比，其q轴的电感较大，导致q轴的电枢反应也比较大，容易受到磁饱和的影响，
2.永磁风力发电机运行性能分析
2.935 MW永磁同步风力发电机采用U型磁钢转子结构，定子槽数为72，极对数为3，三相双绕组结构，工作温度120°C，磁性槽楔的相对磁导率为4，永磁风力发电机的性能指标列于表2，
2.1空载特性
通过空载运行特性，可以校核电机的磁路设计是否合理，以此依据及时调整电机结构，得到输出电压的大小及其波形畸变程度，图5给出了有限元仿真空载电压波形，可以看空载相电势波形很接近于正弦波，图6为空载电压的谐波分量分布情况，经求得线电压波形正弦性畸变率为4，2%，小于GB755—2008《旋转电机定额和性能》中5%的规定，图7为发电机工作在额定转速下的空载磁密分布云图，从图中可以看出定子齿部、轭部、转子部分、磁钢部分磁密分布比较合理，空载齿槽转矩如图8所示，因为永磁同步风力发电机槽数为72，极数为6，所以最小公倍数为72，那么槽转矩基波个数为72。相邻齿距基波数个数为1，机械角为5，齿槽转矩的最大幅值为636 N·m，占发电机额定转矩的3，9%，满足设计要求。
2.2额定负载特性
本文采用图9所示场路耦合模型模拟发电机运行，经过仿真发电机额定负载端电压和端电流波形如图10所示，从图可以看出波形为比较平整的正弦波，经计算线电压有效值为690 V，达到了额定值，而从其二者的相位可得功率因数为1，与设计相符，
2.3短路特性
短路状况下，永磁发电机运行是极为恶劣的，设计不当会引起永磁体的退磁，对此需要对永磁发电机进行最恶劣短路时情况进行仿真计算，三相短路为最恶劣短路，通过搭建外电路对永磁发电机短路时进行分析，所施加的外电路如图11所示，提取A相短路电流最大时刻三相短路波形如图12所示，开始时刻为瞬态短路，当短路电流波形稳定时，为稳态短路，瞬态短路时电流最大值为14669.7A，为额定电流的5.97倍，电流稳定后的有效值为4314.6A，是额定电流的1.757倍，均满足设计要求。
3.结论
永磁同步电机的模糊滑模控制 篇12
永磁同步电动机由于其体积小、效率高、结构简单可靠、转矩大和鲁棒性强等优点,被广泛应用于高精度位置控制的伺服系统。但PMSM又是一个多变量、非线性、强耦合的系统,为了克服这些缺点,已经提出了许多消除不确定性影响的控制策略,然而,鲁棒性得不到保证。多年来,滑模控制由于控制结构简单、鲁棒性和可靠性高,故被广泛地应用于运动控制中,并且已经取得了很多卓有成效的研究成果。但是,“抖振”问题成为滑模控制器应用的障碍。本文将模糊控制和滑模控制相结合,采用模糊规则,利用滑模到达条件对切换增益进行估计并利用切换增益消除干扰项,从而消除抖振。使得PMSM伺服系统对负载干扰和参数变化具有很好的鲁棒性。
2 永磁同步电机伺服系统数学模型
带有正弦感应的电动势的永磁同步电机的数学模型如下:
电磁转矩Te和电机运动方程由下式来描述:
根据矢量控制理论,控制d轴电流id=0,则方程(3)变为:
式中其中J为转动惯量;B为阻尼系数;TL为负载力矩;Kt为力矩增益。
取状态变量
则永磁同步伺服电机驱动系统的状态方程为:
式中:A=-B/J;B=-Kt/J;D=-1/J;U(t)=iq。
考虑到等式(6)的不确定性,
式中:ΔA、ΔB和ΔD所指的是由于系统参数J、B、Kt及负载扰动TL所引起的不确定性,将等式(7)重新阐述为:
则
其中B+=(BTB)-1BT是假逆变。
状态方程式(8)可描述为:
假设
其中η>0。
3 模糊滑模控制器的设计
3.1 滑模控制器设计
设r为位置指令,则误差为:
设全局动态滑模面为:
其中c>0,F(t)是为了达到全局滑模面设计的函数。
为了实现全局滑模,函数需要满足以下3个条件:
其中e0和为t=0时的位置误差及其导数。条件(1)使系统状态位于滑模面,条件(2)保证了闭环系统的稳定,条件(3)是滑模存在的条件的要求。
根据以上3个条件定义F(t)为:
定义Lyapunov函数为:
则
因此可设滑模控制律为
将控制律(17)代入式(16)得
则
综上所述,根据李亚普诺偌夫稳定性定理,可得系统(6)输出渐近跟踪指令r。
在滑模控制律式(17)中,切换增益K(t)的值是造成抖振的原因。K(t)用于补偿不确定项E(t),以保证滑模存在性条件得到满足。如果E(t)时变,则为了降低抖振,采用模糊规则,根据滑模到达条件对切换增益K(t)的值进行有效的估计,使K(t)也时变。
3.2 模糊控制器的设计
滑模存在的条件为
当系统到达滑模面后,将会保持在滑模面上。由于K(t)为保证系统得以到达滑模面的增益,因此其值必须足以消除不确定项的影响。
模糊规则如下:
由式(22)和式(23)设计如下模糊系统:为输入,ΔK(t)为输出。系统输入输出的模糊集定义如下:
其中NB为负大,NM为负中,ZO为零,PM为正中,PB为正大。
模糊系统的输入隶属函数如图1所示,模糊系统的输出隶属函数如图2所示。
选择如下模糊规则:
采用积分的方法对的上界进行估计
其中G为比例系数,G>0。
再用代替式(17)的K(t),则控制律变为
控制系统的结构图如图3所示。
4 系统仿真分析
以永磁同步电机模型的位置跟踪为例,被控装置包括转台、减速器和执行电机,折算到电机轴上的转动惯量为0.0196 kg·m2,额定转速为1600 r/min,额定电流为3 A,磁极对数为2,阻尼系数为0.0028。期望信号为r=sin(2πt),系统不确定项和外部扰动为E(t)=2sin(t)。本文采用控制律式(26),取G=200,C=150,λ=10,得仿真结果如图4和图6所示,采用传统的控制律式(17),取D=200,C=150,仿真结果如图5和图7所示。可见基于模糊规则的滑模控制已经解决滑模变结构控制的“抖振”问题。
5 结束语
从以上仿真结果可知,基于模糊规则的滑模控制可有效地消除干扰项,从而消除“抖振”,而且系统对外部干扰力矩有很强的鲁棒性,并且参数变化的情况下,仍能保持系统的鲁棒稳定性,跟踪精度和暂态性能良好。
摘要：为了实现高性能永磁同步电动机伺服系统快速而精确的位置跟踪控制,在滑模控制策略中引入模糊控制算法,设计了基于模糊规则的滑模控制器。通过理论分析和控制仿真,证实了模糊滑模控制很好地解决了抖振问题,对参数变化和负载扰动具有较强的鲁棒性,永磁同步电机可获得优良的位置跟踪效果。
关键词：滑模控制,模糊控制,永磁同步电机,模糊规则
参考文献
[1]高为炳.变结构控制的理论及设计方法[M].北京:科学出版社.
[2]陈兴国,钟定铭,王力,陈玮.自适应模糊滑模控制裹包机PMSM交流伺服系统[J].包装工程,2005,(12):58-82.
[3]Chen J Y.Eepert SMC-based Fuzzy Control with Genetic algorithms[J].Journal of the Franklin Institute,1999:289-610.
[4]M H Pemg,H H Chamg.I ntelligent Super Vision of Ser-vo Control[J].IEE ProceedingsD1,1993,40(6):405-412.