高性能交流永磁同步电机伺服系统现状

1概述

在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁式同步电机，可用在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化(充磁)以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。

由于永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此需要在电机轴上安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在，增加了系统复杂程度和成本，降低了系统鲁棒性。永磁同步电机的无速度传感器控制成为现今研究的一个热点问题。

2永磁式同步电机的特点及其分类

永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好;但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。

我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波;另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统;而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。

永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等;而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。

这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。

3PMSM与异步电机及BLDCM矢量控制系统的比较

永磁同步电机与无刷直流电机有许多类似之处，转子上均有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩，其主要区别是永磁同步电机的反电势为正弦波，无刷直流电动机的反电势为梯形波。为了产生恒定力矩，永磁同步电机需要的定子电流为正弦波对称电流，无刷直流电机需要的定子电流为方波电流。

由于电磁惯性，无刷直流电机的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以无刷直流电动机较永磁同步电机脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，永磁同步电机有较大竞争力。在另一方面，永磁同步电机单位电流产生的力矩较无刷直流电机单位电流产生的力矩小。在驱动同容量的电动机时，永磁同步电机所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗大很多。

无刷直流电机定子电流为方波，每相开通1200电角度，然后关断600电角度。每600电角度有一个开关改变状态，所以无刷直流电机转子位置检测器只需要每隔600电角度输出一个脉冲。永磁同步电机定子电流为正弦波，定子电流瞬时值取决于转子的瞬时位置，所以必须连续地检测转子位置。

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永磁同步电机的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。永磁同步电机对参数的变化较无刷直流机敏感，但当永磁同步电机工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，永磁同步电机矢量控制系统对参数变化的敏感性与无刷直流机基本相同。

当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。

4永磁同步电机国内外研究现状

早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在这方面做了大量的研究工作。

上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下缺点：第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升;第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降;第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和

暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。一九八○年后发表了大量的论文研究永磁同步电动机的数学模型、稳态特性、动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。