关于永磁同步电机系统的分析

摘要：本文作者从交流伺服系统的基本结构入手，简单介绍各单元的基本功能，并对永磁同步电机调速系统（PMSM）和无刷直流电机调速系统（BLDCM）进行了分析比较，最后介绍了永磁同步伺服系统的国内外发展现状。

关键词：永磁同步电机；伺服系统；分析

上世纪末，随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展，其性能价格比的日益提高，交流伺服技术-交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。目前，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能并可实现弱磁高速控制，能快速、准确定位的控制驱动器组成的全数字位置伺服系统。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，其在工业生产领域中的领域也越来越广泛，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。

1 永磁同步电机伺服系统的基本结构

永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。

1.1 永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

1.2 驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM）。

1.3 控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器（DSP）被广泛应用于交流伺服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

1.4 位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的输入信号有三种形式：位置输入（位置阶跃输入）、速度输入（斜坡输入）以及加速度输入（抛物线输入）。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件，还可以依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。

1.5 接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同，更新速度也不同。

2 对当前两种不同的永磁同步电机伺服系统的分析

由于转子磁钢的几何形状不同，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形就有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。

PMSM不需要励磁电流，在逆变器供电的情况下不需要阻尼绕组，效率和功率因素都比较高，体积也较同容量的异步机小。PMSM通常采用矢量控制和直接转矩两种控制方式。矢量控制借助与坐标变换，将实际的三相电流变换成等效的力矩电流分量和励磁电流分量，以实现电机的解耦控制，控制概念明确；而直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点是调节，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，其控制简单，转矩响应迅速。PMSM的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制，但是它的传感器则给调速系统带来了诸如成本较高、抗干扰性和可靠性不强、电动机的轴向尺寸较长等缺陷。另外，PMSM转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。

BLDCM组成的伺服系统具有转速平滑，响应快，易于控制等特点，但若按照常规的控制方法，其转速直接与电压相关，易受电源波动和负载波动的影响。BLDCM类似于PMSM转子上也有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩，其主要区别是前者的反电势为梯形波，而后者的反电势为正弦波。但由于电磁惯性，BLDCM的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以BLDCM较PMSM脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，PMSM有较大竞争力。另一方面，PMSM单位电流产生的力矩较BLDCM单位电流产生的力矩小。在驱动同容量的电动机时，PMSM所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗也大很多。

PMSM的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。PMSM对参数的变化较BLDCM敏感，但当PMSM工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，其矢量控制系统对参数变化的敏感性与BLDCM基本相同。当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。

随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。

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