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永磁同步电机的发展概况和研究现状

永磁电机(PMM)是一种用永磁体代替线圈的电机。它的起源很早就。第一个发动机出现在20年后，它是一个永磁体[3]激励的永磁体电机。早期对永磁同步电机的研究主要集中在具有固定频率能力的永磁同步电机的工作特性上。永磁同步电机的直接起动依赖于阻尼绕组提供的异步转矩，使发动机加速到接近同步转速。然后通过同步转矩和磁阻转矩将发动机拉入同步状态。

20世纪80年代，国外开始对逆变电源支持的同步电机进行深入研究。永磁同步电机在逆变电源下运行的结构与直接启动永磁同步电机大致相同，但多数情况下没有阻尼绕组。该阻尼绕组具有以下特点:绕组的加热使永磁体材料的温度升高;其次，阻尼线圈增加了惯性矩，从而降低了惯性率。第三，阻尼系统的保护在逆变电源的情况下，永磁同步电机原有的特性会受到影响，其稳态特性和暂态特性类似于恒压特性。与不同频率的永磁同步电机相比，它具有不同的特性。

随着廉价钕铁硼永磁材料的出现，永磁同步电机得到了高度发展。世界各国(以德国和日本为首)对永磁同步电机及其伺服控制器的开发和生产都有很大的影响。在数控机床、工业机器人等低功耗应用中，永磁同步电机伺服系统是主要发展趋势。随着永磁电机的研发经验逐渐成熟，现有的研究成果得到了大力推广和应用。永磁电机在国防、工农业生产和日常生活中的应用越来越广泛。它正朝着高速、大扭矩、高性能和小型化的方向发展。

我国是世界上最大的稀土国，稀土永磁同步发动机已成功应用于许多航天工作中，因此我国在开发高磁场永磁材料方面具有独特的优势。该装置结构紧凑，可获得较高的气隙磁密度。采用永磁同步电机的永磁开关系统可以将同步电机转化为类似于直流伺服电机的伺服系统。以其优异的性能成为精密电动伺服控制系统的优化系统。代表了电动伺服技术的发展方向，具有广阔的应用前景。

虽然我国稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究水平已达到国际领先水平，但这些效益尚未得到充分利用。因此，对于我国来说，发展永磁同步电机还有很长的路要走，发展潜力巨大，对国防、工农业的发展具有重要的理论意义和实用价值，航空和综合实力，得益于我国丰富的稀土资源，开始大力研究和推广由稀土永磁电机应用的各种永磁电机。

2.1永磁同步电机的分类和选型

由于永磁同步电机转子磁体的几何形状不同，转子磁场的空间分布可分为正弦波和梯形波。因此，当转子旋转时，定子上的反向电位波形有两种:一种是正弦波，另一种是正弦波;另一种是梯形波[6]。为了区分现有的永磁同步电动机调速系统，一般采用正弦式永磁同步电动机构成的调速系统，称为带同步发动机的正弦式永磁同步电动机(PMSM)或带永磁的调速控制器。由梯形波(方某某)永磁同步发动机组成的速度控制系统在原理和速度控制方法上相当于直流电动机系统，因此我们称该系统为无刷直流电动机(BLDCM)速度控制系统。

永磁同步电机(PMSM)由于转子磁路结构的不同，其工作特性和控制系统分为表面型和内置型。永磁同步电机的永磁体通常铺在转子铁芯的外表面。所述内置永磁同步电机的永磁体位于转子内，永磁体的外表面与定子铁芯的内圈之间有一由铁磁性材料制成的极靴。该永磁同步电机的主要特点是主感应直轴和四面轴不同，因此两种发动机的性能特点不同。

根据永磁在转子上的位置，正弦永磁同步电机可以分为三种类型:一种是嵌在转子上的永磁电机;一种是外部永磁同步发动机与永磁体放置在转子表面。第三种是内嵌式永磁同步电机，即嵌有一个或部分嵌有永磁体。这部分使用的发动机是一个有吸引力的正弦永磁同步发动机。其结构如图2-1所示。定子绕组一般为多相绕组，转子按一定的对数由永磁钢组成。若该系统中发动机的转子极数为两对，则发动机转速n=60F/P, f为当前频率，P为极数[8]。

2.4永磁同步电机数学模型

当永磁同步电动机的定子与三相交流电相连时，三相交流电会引起定子绕组电阻的电压降。一方面，定子绕组会被切断，在定子绕组中产生感应电动势。另一方面，转子在电磁力的驱动下同步旋转，泄漏电流，定子绕组中电枢电流只会产生与定子绕组交叉的电流，此外，永磁同步速度也会产生磁场与定子绕组切割，所以不发电，为了便于分析，在确定数学模型时，应采用以下参数：

(1)忽略电机铁芯饱和;

(2)不考虑发动机的滞回损耗和涡流;

(3)定子产生的磁场和转子的磁动势沿定子内环呈正弦曲线，即排除磁场中的所有空间谐波。

(4)各相绕组对称，即各相绕组匝数与电阻相等，各相轴具有相同的互位移电角[12]。

在分析同步发动机的数学模型时，通常采用两相同步坐标系（d，q）和两相静止坐标系（
）坐标系，图2-2给出了旋转坐标系（d，q）下永磁同步电机的数学模型。(1) 定子电压方程为：

（2-1）

（2-2）

式中：r为定子绕组电阻；p为微分算子，p=d/dt ；
、
为定子电流；
、
为定子电压；
、
分别为磁链在d，q轴上的分量；
为转子角速度(
=

；
为电动机极对数。

(2) 定子磁链方程为：

（2-3）

（2-4）

式中：
为转子磁链。

电磁转矩为：

（2-5）

(4)电动机的运动方程:

（2-6）

式中：J为电机的转动惯量。

若电动机为隐极电动机，则
，选取
、
及电动机机械角速度
为状态变量，由此可得永磁同步电动机的状态方程式为：

（2-7）

由式(2-7)可见，三相永磁同步电动机是一个多变量系统，而且
、
、
之间存在非线性耦合关系，实现永磁体三相高性能控制是一项具有挑战性的任务。

图2-2 定子、转子参考坐标系

3.2 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较

直接转矩控制(DTC)采用空间扇形分析法，在定子坐标系下计算和校核交流发动机的转矩。利用双位置模拟调节器产生的信号直接调节逆变器的开关状态，获得高性能的转矩控制。

矢量控制是一种有效控制交流伺服电机系统,但因为它需要复杂的矢量旋转,和发动机机械常数小于电磁常数,由于缺陷的矢量控制,德国学者Depenbrock了加上快速响应控制系统,即直接耦合控制(DTC)。此后，越来越多的学者致力于永磁同步电机直接转矩控制的开发和研究。采用定子磁链定向方法，采用离散两点控制直接调节电机定子磁链和转矩，消除了复杂的矢量变换。

它具有控制思想新颖、控制结构简单、控制手段直接、信号处理[14]物理概念明确等优点。直接转矩控制最初用于感应发动机。1997年，钟等对直接转矩控制算法进行了改进，并应用于永磁同步电机的控制，实现了对发动机的流量和转矩、磁链和转矩值的双重控制，直接转矩控制在永磁同步电机中，随着现代控制理论和智能控制理论的引入，许多直接耦合系统都是基于模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、非线性控制和变结构控制，并进一步改进了直接耦合控制技术。

直接转矩控制的 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 的控制策略，但它为永磁同步发动机的发展和应用提供了良好的基础，也为更好的控制系统的研究提供了基础。

进入21世纪，随着科学技术的飞速发展，高新技术的不断崛起，节能环保意识的不断增强，永磁同步发动机的发展前景广阔，

特别是高性能的稀土永磁同步发动机及其伺服系统，已经得到了大规模的应用。需要注意的是，对于永磁同步电机本身来说，目前永磁同步电机的研究，由于参数被测，在测量中存在一定的误差，而且误差往往是任意的，本文主要从矢量控制入手，

本文介绍了永磁同步电机稳定性的相应原理，提出了一种较好的控制方法。总之，在永磁同步发动机的矢量控制中，采用更先进的理论和高精度的混合控制方法也是未来研究的重点。

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