永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí).doc
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(一) PMSM的數(shù)學(xué)模型 交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)的三相繞組分布在定子上,永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中,定子與轉(zhuǎn)子始終處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),永磁體與繞組,繞組與繞組之間相互影響,電磁關(guān)系十分復(fù)雜,再加上磁路飽和等非線性因素,要建立永磁同步電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型是很困難的。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,我們通常做如下假設(shè): 1) 忽略電機(jī)的磁路飽和,認(rèn)為磁路是線性的; 2) 不考慮渦流和磁滯損耗; 3) 當(dāng)定子繞組加上三相對(duì)稱正弦電流時(shí),氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì),忽略氣隙中的高次諧波; 4) 驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和續(xù)流二極管為理想元件; 5) 忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等影響。 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程組成,在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下: (l)電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示: 其中,Rs為定子電阻;ud、uq分別為d、q 軸上的兩相電壓;id、iq分別為d、q軸上對(duì)應(yīng)的兩相電流;Ld、Lq分別為直軸電感和交軸電感;ωc為電角速度;ψd、ψq分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。 若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程,則需做兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的變換,如下式所示。 (2)d/q軸磁鏈方程: 其中,ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈,為常數(shù),,而是機(jī)械角速度,p為同步電機(jī)的極對(duì)數(shù),ωc為電角速度,e0為空載反電動(dòng)勢(shì),其值為每項(xiàng)繞組反電動(dòng)勢(shì)的倍。 (3)轉(zhuǎn)矩方程: 把它帶入上式可得: 對(duì)于上式,前一項(xiàng)是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,稱為永磁轉(zhuǎn)矩;后一項(xiàng)是轉(zhuǎn) 子突極效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩,稱為磁阻轉(zhuǎn)矩,若Ld=Lq,則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩,此時(shí),轉(zhuǎn)矩方程為: 這里,為轉(zhuǎn)矩常數(shù),。 (4)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程: 其中,是電機(jī)轉(zhuǎn)速,是負(fù)載轉(zhuǎn)矩,是總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括電機(jī)慣量和負(fù)載慣量),是摩擦系數(shù)。 (二) 直線電機(jī)原理 永磁直線同步電機(jī)是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變,相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和動(dòng)子沿軸向剖開,然后將電機(jī)展開成直線,由定子演變而來的一側(cè)稱為初級(jí),轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級(jí)。由此得到了直線電機(jī)的定子和動(dòng)子,圖1為其轉(zhuǎn)變過程。 直線電機(jī)不僅在結(jié)構(gòu)上是旋轉(zhuǎn)電機(jī)的演變,在工作原理上也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。在旋轉(zhuǎn)的三相繞組中通入三相正弦交流電后,在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣隙磁場(chǎng),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速(又叫同步轉(zhuǎn)速)為: (1-1) 其中,—交流電源頻率,—電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 如果用表示氣隙磁場(chǎng)的線速度,則有: (1-2) 其中,為極距。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)形式以后,如果不考慮鐵芯兩端開斷引起的縱向邊端效應(yīng),此氣隙磁場(chǎng)沿直線運(yùn)動(dòng)方向呈正弦分布,當(dāng)三相交流電隨時(shí)間變化時(shí),氣隙磁場(chǎng)由原來的圓周方向運(yùn)動(dòng)變?yōu)檠刂本€方向運(yùn)動(dòng),次級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和初級(jí)的磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生電磁推力。在直線電機(jī)當(dāng)中我們把運(yùn)動(dòng)的部分稱為動(dòng)子,對(duì)應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。這個(gè)原理和旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似,二者的差異是:直線電機(jī)的磁場(chǎng)是平移的,而不是旋轉(zhuǎn)的,因此稱為行波磁場(chǎng)。這時(shí)直線電機(jī)的同步速度為v=2fτ,旋轉(zhuǎn)電機(jī)改變電流方向后,電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變,同樣的方法可以使得直線電機(jī)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 圖1永磁直線同步電機(jī)的演變過程 圖2 直線電機(jī)的基本工作原理 對(duì)永磁同步直線電機(jī),初級(jí)由硅鋼片沿橫向疊壓而成,次級(jí)也是由硅鋼片疊壓而成,并且在次級(jí)上安裝有永磁體。根據(jù)初級(jí),次級(jí)長度不同,可以分為短初級(jí)-長次級(jí)結(jié)構(gòu)和長初級(jí)-短次級(jí)的結(jié)構(gòu)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)部分可以是電機(jī)的初級(jí),也可以是電機(jī)的次級(jí),要根據(jù)實(shí)際的情況來確定?;窘Y(jié)構(gòu)如圖3所示,永磁同步直線電機(jī)的速度等于電機(jī)的同步速度: (1-3) 圖3 PMLSM的基本結(jié)構(gòu) (三) 矢量控制(磁場(chǎng)定向控制技術(shù)) 矢量控制技術(shù)是(磁場(chǎng)定向控制技術(shù))是應(yīng)用于永磁同步伺服電機(jī)的電流(力矩)控制,使得其可以類似于直流電機(jī)中的電流(力矩)控制。 矢量控制技術(shù)是通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的。 坐標(biāo)變換需要坐標(biāo)系,變化整個(gè)過程給出三個(gè)坐標(biāo)系: 1) 靜止坐標(biāo)系(a,b,c):定子三相繞組的軸線分別在此坐標(biāo)系的a,b,c三軸上; 2) 靜止坐標(biāo)系(α,β):在(a,b,c)平面上的靜止坐標(biāo)系,且α軸與a軸重合,β軸繞α軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度; 3) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q):以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。 矢量控制技術(shù)對(duì)電流的控制實(shí)際上是對(duì)合成定子電流矢量的控制,但是對(duì)合成定子電流矢量的控制的控制存在以下三個(gè)方面的問題: 1) 是時(shí)變量,如何轉(zhuǎn)換為時(shí)不變量? 2) 如何保證定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)之間始終保持垂直? 3) 是虛擬量,力矩T的控制最終還是要落實(shí)到三相電流的控制上,如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)換? 從靜止坐標(biāo)系(a,b,c)看是以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的,而從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q)上看是靜止的,也就是從時(shí)變量轉(zhuǎn)化為時(shí)不變量,交流量轉(zhuǎn)化為直流量。 所以,通過Clarke和Park坐標(biāo)變換(即3/2變換),實(shí)現(xiàn)了對(duì)勵(lì)磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq的解耦。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q)中,已經(jīng)成為了一個(gè)標(biāo)量。令在q軸上(即讓id=0),使轉(zhuǎn)子的磁極在d軸上。這樣,在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q)中,我們就可以象直流電機(jī)一樣,通過控制電流來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。且解決了以上三個(gè)問題中的前兩個(gè)。 但是,id、iq不是真實(shí)的物理量,電機(jī)的力矩控制最終還是由定子繞組電流ia、ib、ic(或者定子繞組電壓ua、ub、uc)實(shí)現(xiàn),這就需要進(jìn)行Clarke和Park坐標(biāo)逆變換。且解決了以上三個(gè)問題中的第三個(gè)。 力矩回路控制的實(shí)現(xiàn): 1) 圖中電流傳感器測(cè)量出定子繞組電流ia,ib作為clarke變換的輸入,ic可由三相電流對(duì)稱關(guān)系ia+ib+ic=0求出。 2) clarke變換的輸出iα,iβ ,與由編碼器測(cè)出的轉(zhuǎn)角Θ作為park變換的輸入,其輸出id與iq作為電流反饋量與指令電流idref及iqref比較,產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng)PI運(yùn)算后輸出電壓值ud,uq。 3) 再經(jīng)逆park逆變換將這ud,uq變換成坐標(biāo)系中的電壓u α,uβ。 4) SVPWM算法將uα,uβ轉(zhuǎn)換成逆變器中六個(gè)功放管的開關(guān)控制信號(hào)以產(chǎn)生三相定子繞組電流。 (四) 電流環(huán)控制 交流伺服系統(tǒng)反饋分為電流反饋、速度反饋和位置反饋三個(gè)部分。其中電流環(huán)的控制是為了保證定子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確快速跟蹤。 電流環(huán)是內(nèi)環(huán),SVPWM控制算法的實(shí)現(xiàn)主要集中在電流環(huán)上,電流環(huán)性能指標(biāo)的好壞,特別是動(dòng)態(tài)特性,將全面影響速度、位置環(huán)。 PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn): 1) P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量; 2) 而PI調(diào)節(jié)器輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān), 而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值, 它就能提供多少, 直到飽和為止。 電流環(huán)常采用PI控制器,目的是把P控制器不為0 的靜態(tài)偏差變?yōu)?。電流環(huán)控制器的作用有以下幾個(gè)方面: 3) 內(nèi)環(huán);在外環(huán)調(diào)速的過程中,它的作用是使電流緊跟其給定電流值(即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出); 4) 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗干擾作用; 5) 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中(起動(dòng)、升降速)中,保證獲得電機(jī)允許的最大電流-即加速了動(dòng)態(tài)過程; 6) 過載或者賭轉(zhuǎn)時(shí),限制電樞電流的最大值,起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。 電流環(huán)的控制指標(biāo)主要是以跟隨性能為主的。在穩(wěn)態(tài)上,要求無靜差;在動(dòng)態(tài)上,不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào),以保證電流電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值。 雙閉環(huán)電機(jī)調(diào)速過程中所希望達(dá)到的目標(biāo): 1) 起動(dòng)過程中: 只有電流負(fù)反饋, 沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 2) 達(dá)到穩(wěn)態(tài)后: 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主導(dǎo)作用; 電流負(fù)反饋僅為電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 雙閉環(huán)電機(jī)具體工作過程:根據(jù)檢測(cè)模塊得到的速度值和電流值實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),速度調(diào)節(jié)器的積分作用使速度環(huán)輸出增加,即電流給定上升,并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使PWM占空比增加,電動(dòng)機(jī)電流增加,從而使電機(jī)獲得加速轉(zhuǎn)矩,電機(jī)轉(zhuǎn)速上升;當(dāng)測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器速度環(huán)的輸出減小,電流給定下降,并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使PWM占空比減小,電機(jī)電流下降,從而使電機(jī)因電磁轉(zhuǎn)矩的減小而減速。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)時(shí),速度環(huán)輸出達(dá)到限幅值,電流環(huán)即以最大限制電流實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速,使電機(jī)以最大加速度加速。 電流環(huán)的主要影響因素有:電流調(diào)節(jié)器參數(shù)、反電動(dòng)勢(shì)、電流調(diào)節(jié)器零點(diǎn)漂移。電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)中,比例參數(shù)Kp越大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快,同時(shí)超調(diào)也大,因此,在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)該根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)來選擇Kp;而積分系數(shù)Ti越大,電流響應(yīng)穩(wěn)態(tài)精度就越高。 (五) 弱磁控制 所謂弱磁控制和強(qiáng)磁控制是指通過對(duì)電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行的控制?!叭醮拧本褪莿?lì)磁電流小于額定勵(lì)磁電流;“強(qiáng)磁”則是比額定勵(lì)磁電流大的勵(lì)磁電流。 強(qiáng)磁控制又稱為強(qiáng)勵(lì)控制,主要用在發(fā)電機(jī)短路保護(hù)或欠電壓保護(hù)方面。當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓接近于0或下降太多,此時(shí)需要通過強(qiáng)行勵(lì)磁,可使發(fā)電機(jī)的端電壓升高,輸出電流增大,觸發(fā)保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘,實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 弱磁控制則主要是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁調(diào)速用,發(fā)電機(jī)弱磁控制則主要是指由直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的G-M拖動(dòng)系統(tǒng),為了得到軟的或下墜的機(jī)械特性時(shí)才使用。 (六) 電流傳感器 霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化,可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?;魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ),是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?;魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。 霍爾效應(yīng):如圖1所示,在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng),則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上,將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓,它們之間的關(guān)系為: 式中d 為薄片的厚度,k稱為霍爾系數(shù),它的大小與薄片的材料有關(guān)。 電流傳感器:由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng),從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被測(cè)電源的功率,特別適合于大電流傳感。 霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示,標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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