基于稀土交流永磁同步伺服电机数学模型建立的研究_传动机械_机械设备_行业资讯

前言

中国稀土资源探明储量占全球的36.52%，是全球第一大稀土资源大国。中国长期大量出口稀土，现在中国用36.4%的储量承担着全球90%以上的稀土供应，为世界稀土市场的供应和稳定作出了巨大贡献。我国是名副其实的世界第一大稀土资源国，已探明的稀土资源量约6588万吨。我国稀土资源不但储量丰富，而且还具有矿种和稀土元素齐全、稀土品位及矿点分布合理等优势，为我国稀土工业的发展奠定了坚实的基础。中国稀土资源成矿条件十分有利、矿床类型齐全、分布面广而有相对集中。中国稀土矿床在地域分布上具有面广而又相对集中的特点。截止目前为止，地质工作者已在全国三分之二以上的省（区）发现上千处矿床、矿点和矿化产地。

电机作为一种电能量转换设备，广泛的应用于我们的生产和生活，并越来越受到关注。随着制造技术的不断发展和对电机工作原理研究的不断深入，目前涌现出了很多新型的电机；于此同时，永磁材料性能的不断提高和完善，使永磁电机正向大功率化、高性能化和微型化方向发展。另外，电力电子技术。现代控制理论、高性能的微处理器、电气与机械信号的检测技术的迅猛发展，使电力拖动系统的性能有了阶跃性的进步。由稀土材料构建的交流永磁同步电机具备十分优良的低速性能，再结合高精度电力电子器件，可以完成精确位置伺服控制，而且可以应用弱磁高速控制，拓宽调速范围，提高冬天特性和效率，这样使得由交流永磁同步电机在高性能的位置伺服系统中有很大的应用空间。

虽然交流调速系统在国内已经被大量使用，但绝大多数装置尤其是高性能交流伺服装置依赖进口。在广泛调研国内外各种先进交流伺服系统的机构原来及工业设计特点的基础上，结合稀土交流永磁电机的优点，研制了能够完全取代市场上进口交流调速装置的国产化装置，可广泛用于数控机床及一般机床的进给系统，也适用于其它需采用交流调速的场合。

1交流永磁同步电机结构

永磁同步电机种类繁多，安装定子绕组感应电动势的波形的不同，可分为正弦波永磁同步电机（PMSM）和梯形波永磁同步电机（BLDC）。正弦波永磁同步电机定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组；气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机可以分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式。本文所研究的电机为凸装式正弦波永磁同步电机，结构如图1所示，定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按照一定对数组成，本系统的电机转子磁极对数为两对，则电机转速为n=60f/p，P为极对数，f为电流频率。

图1凸装式正弦波永磁同步电机结构图

目前，三相同步电机现在主要有两种控制方式，一种是他控式（又称为频率开环控制）；另一种为自控式（又称为频率闭环控制）。他控式方式主要是通过独立控制外部电源频率的方式来调节转子的转速不需要知道转子的位置信息，经常采用恒压频比的开环控制方案。自控式永磁同步电机也是通过改变外部电源的频率来调节转子的转速，与他控式不同，外部电力频率的改变是和转子的位置信息是有关联的，转子转速越高，定子通电频率就越高，转子的转速是通过改变定子绕组外加电压（或电流）频率的大小来调节的。由于自控式同步电机不存在他控式同步电机的失步和震荡问题，并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷和换向器，降低了转子的体积和质量，提高了系统的响应速度和调速范围，且具有直流电动机的性能，所以本文采用的自控式交流永磁同步电机，当把三相对称电源加到三相对称绕组上后，自然会产生同步速的旋转的定子磁场，同步电机转子的转速是与外部电源频率保持严格同步的，且与负载大小没关系。

2交流永磁同步电机的工作原理

本系统采用的自控式的交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成，其结构原理如图2所示。在图2中，50HZ的市电经过整流后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步旋转，通过位置传感器实现读取转子磁钢位置，变化成电信号控制逆变器功率器件开关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持稳定的位置关系，才能产生恒定的转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器。