1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。 | |
1.调速永磁同步电机简介 1.1调速永磁同步电动机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代了后者的励磁绕组励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、损耗小，效率和功率因数高等一系列优点，因而它是今年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电机。永磁同步电动机按转子有无起动绕组可分为调速永磁同步电动机和异步起动永磁步电动机。本文重点介绍调速永磁同步电动机。 所谓调速永磁同步电动机，是指主要用于变频供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速的永磁同步电机。永磁同步电机在开环控制情况下调速运行时，不需要位置传感器和速度传感器，只要改变供电电源的频率便可调节电动机的转速。 电动机的转速是由定子电流交变频率和极对数决定的，在电励磁的同步电动机中，允许电动机在任何功率因数下工作。由于永磁同步电动机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的带位置传感器，有的应用场合因安装的不便利及成本上的要求无法安装位置传感器。有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，这也是为什么这种电机需要变频控制的原因。自控式调频方法从根本上解决了振荡、失步问题。因此，同步电动机变频调速的应用范围越来越广阔，在电气传动领域里占有相当大的比重。随着电机制造与控制技术的飞速发展，加之大规模集成电路、半导体功率器件和微处理器技术的进步，伺服技术作为自动化的基础技术，有了革命性的进步。再加上永磁铁的加入，使得电机的效率更高，体积更小，永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。因此调速永磁同步电动机得到了广泛的发展和应用。 20世纪80年代以来，具有高磁能积（Br≥1T,Hc≥80kA/m）、价格低廉的钕铁硼（NdFeB）永磁材料的出现，使永磁同步电动机得到了很大的发展，世界各国（ 以德国和日本为首）掀起了一股研制和生产永磁同步电动机及其伺服控制器的热潮,尤其在数控机床，工业机器人等小功率的应用场合，永磁同步伺服电机是主要发展趋势。 1.2 永磁同步电机调速控制系统的国内外发展现状 最早对永磁同步电机的研究主要集中在固定频率供电的永磁同步电机运行特性方面，尤其是对稳态特性和直接起动性能方面的研究。从80年代开始，国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行研究。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。无阻尼绕组可以防止永磁材料温度上升，使电机力矩惯量比上升，电机脉动力矩降低等优点。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。 G．I乙Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法，设计出了高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电动机，使永磁同步电动机伺服驱动性能得到了提高。D．Nuanin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用16位单片机8097作为控制器，实现高精度、高动态响应的全数字控制。永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分(N)控制。N控制器具有结构简单、性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能。 N．Matsui，J．H．1ang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电动机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电动机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电动机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。B．K．Bose等人一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了很好的研究成果。与此同时，国外一些著名的公司，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美国的AB公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的BBC公司、韩国三星公司等不断推出交流伺服驱动产品。随着DSP技术的飞速发展，永磁同步伺服系统的数字化正在快速地进行着。天津大学、华中科技大学、沈阳工业大学等研究了单片机或DSP构成的全数字交流伺服系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响应精度，并开发了数字伺服系统。数字控制技术的应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。 1.3 永磁同步电机工作原理 当永磁同步电机通入由三相逆变器经脉宽调制获得的正弦交流电源后，电机的定子绕组会产生一个旋转磁场，它与转子永磁体磁钢所产生的磁场互相作用，产生一个与定子绕组旋转磁场方向一致的转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量和由永磁体磁钢所产生的阻尼转矩时，电机就开始转动起来，并且不断加速，直至定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一起同步运行。为了获得最大转矩，输入到三相绕组的正弦波电压必,须使得定子磁通和转子磁通的夹角接近90°。为此，必须通过合适的电子控制来使得电机能够正常运行，而其中最重要的是获得转子的位置，转子的位置可以通过位置传感器来获得，也可以通过无传感器控制算法计算来获得。 1.4 调速永磁同步电动机控制系统 调速永磁同步电动机控制系统的基本结构如图1 所示。 图1 永磁同步伺服系统 其基本工作原理是通过转子位置传感器获得电机转子的位置信号和定子电流传感器获得的三相电流值后，送人到主控单元，控制器通过某种控制算法，并与系统给定信号进行比较，从而得到逆变器的六路PWM信号，实现了电机的自同步运行。 2．永磁同步电机的控制原理及方法 何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。 2.1恒压频比控制 恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。 气囊止血带2.2 矢量控制 高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。因此，对其进行深入研究。 矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。 2.3 直接转矩控制 矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。 DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC。虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大。 3.调速永磁同步电动机的设计特点 调速永磁同步电动机的应用场合极为广泛，与其配套的传动系统与控制方式也不一样，因而对其技术经济性能的要求大不相同，一般来说对调速永磁同步电动机的主要要求是：调速范围宽，转矩和转速平稳，动态响应快速准确，单位电流转矩大等。 调速永磁同步电动机的设计是与相匹配的功率系统的有关性能密不可分的。设计时，应根据传动系统的应用场合和有关技术指标要求，首先确电动机的控制策略和逆变器的容量，然后根据电机设计的有关知识来设计电动机。下面以正弦波永磁同步电动机为例分析研究调速永磁同步电动机的设计特点。 永磁同步电动机调速传动系统的主要特性是它的调速范围和动态响应性能。调速范围又分为恒转矩调速区和恒功率调速区。而电动机的运行过程可以用工作周期来表示，调速永磁同步电动机的动态响应性能常常以从静止加速到额定转速所需的加速时间t来表示。为了提供足够的加速能力，一般情况下，最大转矩T为额定转矩T的3倍左右。 调速永磁同步电动机的具体设计包括以下几大部分：主要尺寸的选择及计算;转子磁路结构的选择；永磁体的设计及计算；定、转子冲片的设计；绕组计算；磁路计算；参数计算；交轴磁化曲线计算；工作特性计算；定位力矩的抑制和低速平稳性的改善；调高永磁同步电动机弱磁括速能力的措施等等。这些在后面的具体设计中会详细的提到。 | |
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