永磁同步电动机变频调速系统及其控制

南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 王亚兵 指导教师： 张菊艳

完成日期 2015 年 5 月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

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同步电动机变频控制系统设计

(Design Of Synchronous Motor Frequency Control

System)

总计： 毕业设计（论文） 23 页

表 格： 1 个 插 图 ： 18 幅

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

同步电动机变频控制系统设计

(Design Of Synchronous Motor Frequency Control

System)

学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 王亚兵 学

0 前言

永磁同步电机调速技术的发展得于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。脉宽调制方法 (PWM和SPWM)、变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的复杂系统，其动态特性极其复杂，它是由一组高阶的非线性微分方程决定的，由于控制系统控制方式的复杂性，使动态特性的变化十分繁琐。所以，对调速系统特性的分析研究，最好好在着手实际系统之前，先利用计算机仿真，由仿真的各方面结果给实际系统的设计、调试等方面提供借鉴和参考。利用仿真实验对永磁同步电动机调速系统进行研究，从而为实际系统的设计提供可靠的参数。本文在仿真过程中，采用MATLAB/SIMULINK软件。

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1 永磁同步电动机的数学模型

1.1 永磁同步电动机的结构和工作原理

永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成。永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。

第三章 永磁同步电动机系统原理

永磁同步电机[2]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。也可以这样说，该种电机系统有电动机，逆变器组成（有的还带位置传感器）。图3.1给出了一个基本系统原理结构图。

图3.1永磁同步电机结构原理图

3.1 永磁同步电动机的基本组成

3.1.1 电动机

同感应电机和直流电机相似，永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构成，三相交流绕组在定子上；永磁体在转子上。关于电机的基础理论知识部分可参考文献[20]。

定子：

定子通常也称作电枢，它由定子三相绕组、定子铁芯、机座和端盖等零部件所构成。定子铁芯是由冲压后的硅钢片紧密叠装而成。见图3.2。

转子：

转子有两种型式的结构，依据定转子之间的气隙分布有隐极式和凸极式之分。见图3.2a为凸极式，从图可看出转子有明显的凸出磁极，且气隙不均匀分布。图3.2b为隐极式，转子成圆柱形，均匀分布气隙。对这两种转子需要采

摘 要

永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous Machine, PMSM)由于无需励磁电流、体积轻便、运行效率很高，在工业领域得到越来越广泛的应用。只有知道了精确的转子位置信息，才能实现永磁同步电动机转子磁场定向的运动控制。在传统的永磁同步电动机运动控制系统中，通常采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置。然而，这些传感器增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。因此，无传感器检测永磁同步电动机转子位置已逐渐成为热点。

本文阐述了永磁同步电动机的发展历程、永磁材料的发展，以及它的结构、工作原理和特点等。介绍了永磁同步电动机转子位置检测的常用方法分两种：即直接方式检测和间接方式检测。直接方式可分为：旋转变压器法、磁编码器法、光电编码器法；间接方式可分为：电感法、磁链法、假想坐标系法、基于各种观测器的估算方法、卡尔曼滤波器法、高频注入法和人工智能理论基础上的估算方法。

针对本课题主要做了以下研究工作：在构建其数学模型的基础上，深入分析电机定子电感的饱和效应，得出旋转高频电压注入法能够准确跟踪转子凸极位置，但其存在不能确定估算结果是N极还是S极位置的问题。对于这个问题,本文又分析了永磁同步电机定子电流对电机磁

Always magnetic belt synchro motor direct torque control

system

0 - preface

Synchro motor because of having power factor higher -, run - timeefficiency higher -, stability good, the revolving speed Heng settles to wait a merit, is extensively been applied to industrial production amid.The startingfault that acquaints with synchro motor, and debugging in time, all have important meaning to the motor and the production systemses.By wayof energy in time, accurate debugging and transaction fault, have tovsthefamiliar fault prog

第2章 永磁同步电机结构及控制方法

2.1 永磁同步电机概述

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后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，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。因而它是近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动机。

永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，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，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。

永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本

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第3 O卷第 4期 20 0 5年 8月

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文章编号：23— 9 3 20 )4— 5 9一 5 05 9 9 (0 5 o 02 o

永磁直线同步电动机功角控制策略的研究张 焦留 王’王’康润’宏伟，成，新环，福忠，生.

(.河南理工大学电气工程系，河南焦作 1

4 40;2 5 0 3 .郑州大学，河南郑州

440 ) 50 7

摘

要：针对垂直运动永磁直线同步电动机的特点，通过力角特性及稳定性分析，得出了功角控

制策略 .该控制策略将直线电机的稳定控制引入到最大推力控制中，通过控制电机的电磁力角，

实现直线电机的速度控制 .试验表明，该策略响应速度快、超调量小，有效地提高了永磁直线电动机垂直运输系统运行的稳定性、可靠性和电机的运行效率. 关键词：永磁直线同步电动机；功角控制器；稳定性分析中图分类号：T 3 1 M 5文献标识码：A

Re a c n he c nt o t a e y o o r a l f s r h o t o r ls r t

1、结构模型

◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

◆图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

◆转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。

◆气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。

◆ 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。

2、工作原理

◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

◆ 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

◆ 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

◆ 交变电势的产生：由于电

密级：

NANCHANG UNIVERSITY

学士学位论文

THESIS OF BACHELOR

（2006—2010年）

题目：40KW-6极变频调速同步电动机电磁方案及

控制系统的设计

学院：信息工程学院系：电气工程及其自动化系专业：电机电器

班级：电机电器062班

学号：6101106075

学生姓名：徐健

指导教师：黄劭刚

起讫日期：

摘要

2

本科生毕业论文任务书

(文理科专业适用)

题目： 40KW-6极变频调速同步电动机电磁方案及 控制系统的设计

题目来源：□省部级以上 □市厅级 □横向 □自选

题目性质：□理论研究 □应用与理论研究 □实际应用研究

学 院： 信息工程学院 系： 电气工程及其自动化

专业班级： 电机电器（062）班

学生姓名： 徐健 学号： 6101106075

起讫日期：

指导教师： 黄 劭 刚 职称： 教授

指导教师所在单位： 南昌大学

学院审核（签名）：

审核日期：

摘要

二0一0年制

说明

1.毕业论文任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到

学生。

2.进度表由学生填写，至少每两周交指导教师签署审查意见，并作

为毕业论文工作检查的主要依据。进度表

安徽理工大学毕业设计(论文)

交流异步电动机变频调速系统设计

摘要

近年来,交流电机变频调速及其相关技术的研究己成为现代电气传动领域的一个重要课题,并且随着新的电力电子器件和微处理器的推出以及交流电机控制理论的发展，交流变频调速技术还将会取得巨大进步。

本文对变频调速理论，逆变技术，SPWM产生原理进行了研究，在此基础上设计了一种新型数字化三相SPWM变频调速系统，以8051控制专用集成芯片 SA4828为控制核心，采用IGBT作为主功率器件，同时采用EXB840构成IGBT的驱动电路，整流电路采用二极管，可使功率因数接近1，并且只用一级可控的功率环节，电路结构比较简单。

本文在控制上采用恒Vf控制，同时，软件程序使得参数的输入和变频器运行方式

的改变极为方便，新型集成元件的采用也使得它的开发周期短。

另外，本文对SA4828三相SPWM波发生器的使用和编程进行了详细介绍，完成了整个系统控制部分的软硬件设计。

关键字:变频调速，正弦脉宽调制，Vf控制，SA4828波形发生器

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安徽理工大学毕业设计(论文)

AC INDUCTION MOTOR SPEED-ADJUSTED SYSTEM DESIGN

ABSTRACT

Recently, th