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路饱和度的影响，根据旋转电流矢量幅值变化特性，提出了一种判定转子永磁体N/S极极性的方法，解决了常规高频注入法所存在的估算结果可能反向的问题。
关键词：永磁同步电动机 ；高频电压注入 ；转子位置检测
ABSTRACT
As the permanent magnet synchronous motor without excitation current, volume light, high efficiency, more and more widely in the industrial fields of application. Only know the exact rotor position information, to achieve permanent magnet synchronous motor rotor flux orientation motion control. In a traditional permanent magnet synchronous motor motion control system, usually optical encoder or resolver to detect the rotor position. However, these sensors increase the system cost and reduced reliability of the system. Therefore, sensorless permanent magnet synchronous motor rotor position detection has gradually become a hot spot.
This paper describes the development process of permanent magnet synchronous motor, permanent magnet materials development, and its structure, working principle and characteristics. Introduced a permanent magnet synchronous motor rotor position detection of the common methods in two ways: the direct detection and indirect detection methods. Direct methods can be divided into: rotating transformer, magnetic encoder method, optical encoder method; indirectly, can be divided into: inductance method, flux method, imaginary coordinate system method, the various observer-based estimation method, Kalman filtering device method, high frequency injection method and Artificial Intelligence based on the theory of estimation methods.
The main topics for research work to do the following: In building a mathematical model based on in-depth analysis of the saturation effect of the stator inductance, obtained rotating high frequency signal injection method to accurately track the position of the rotor salient, but its existence can not be determined or estimated results is N pole S pole position of the problem. For this problem, this paper analyzed the current permanent magnet synchronous motor stator magnetic circuit saturation, according to the amplitude variations of current vector rotation, a permanent magnet rotor determine N / S pole polar solutions to Injection of conventional high-frequency estimation results are likely to reverse the existing problems.
Keywords：Permanent magnet synchronous motor, High frequency signal injection, Rotor position detection
目 录
第一章 绪论 ................................................................. 1
1.1课题的研究背景 ....................................................... 1 1.2 永磁同步电动机的国内外研究现状 ..................................... 2 1.3永磁材料的发展 ....................................................... 4 第二章 永磁同步电动机的结构及特点........................................... 4
2.1永磁同步电动机的总体结构 ............................................. 4
2.1.1 定子结构 ....................................................... 5 2.1.2 转子结构 ....................................................... 6 2.1.3 永磁同步电动机的转子磁极结构型式 ............................... 6 2.2永磁同步电机的特点 .................................................. 10 第三章 永磁同步电动机的工作原理及数学模型.................................. 11
3.1永磁同步电动机的工作原理 ............................................ 11 3.2 坐标变换原理 ....................................................... 12 3.3永磁同步电动机的数学模型 ............................................ 13 3.4磁路结构对数学模型中参数的影响 ...................................... 15 第四章 永磁同步电动机转子位置检测的方法.................................... 17
4.1直接方式 ............................................................ 17 4.2间接方式 ............................................................ 18 第五章 旋转高频注入法的原理及应用.......................................... 22
5.1旋转高频信号激励下永磁同步电机数学模型 .............................. 22 5.2旋转高频电压信号注入法原理 .......................................... 23 5.3永磁同步电机转子初始位置检测 ........................................ 27
5.3.1基于旋转高频注入法的转子初始位置检测原理 ...................... 28 5.3.2面贴式永磁同步电机定子电感饱和效应分析研究 .................... 29 5.3.3根据高频电流响应幅值判定N、S极 ............................... 31
第六章 结论 ................................................................ 32 参考文献 ................................................................... 34 翻译部分 ................................................................... 36
英文原文 ............................................................... 36 中文译文 ............................................................... 45 致 谢 .................................................................... 54
中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第1页
第一章 绪论
1.1课题的研究背景
直流电气传动和交流电气传动在19世纪中期先后诞生，由于直流电气传动具有良好的调速性能和转矩控制性能，改变决定交流调速的电源频率的改变和对电动机转矩控制极为困难，因此，在20世纪相当长的一段时间内直流传动成为电气传动的主流。然而，由于直流电动机具有电刷和换向器，成为限制其自身发展的主要缺陷，导致其生产成本高、制造工艺复杂、运行维护工作量大，加之机械换向困难，其单机容量、转速及使用环境都受到限制。从20世纪30年代，人们致力于交流调速技术的研究。
现代电机调速技术是一门比较复杂的交叉技术，涉及的领域广泛，包括电机、电力电子技术、控制理论、计算机技术与仿真等几个方面。近四十年来，电机调速技术在世界上得到了蓬勃发展，特别是电力电子器件技术的进步促进了现代电机控制技术的发展，如不断出现了SCR，GTO，GTR，IGBT等新器件。以微电子技术为基础、自动化技术和计算机技术为核心(即综合机电一体化技术)发展起来的交流驱动系统，正在冲击着整个传统工业模式。尤其在近十年来，现代交流调速技术不断成熟，并朝着数字化智能化方向发展，因此对交流调速系统进行深入研究就显得十分重要。
虽然目前感应电动机以其较低廉的价格、可靠的机械特性和优越的高速运行范围成为广泛使用的驱动电机，但是基于感应电动机的驱动系统仍存在一些缺点。首先，矢量控制理论的提出及应用在对感应电机控制方法上有了重大突破，但是在低速时其可控性差、散热性差等问题较难以解决。其次，感应电机的控制技术较复杂，运算量大。如果采用永磁同步电机作为驱动电机，就可以克服感应电机上述方面的不足。
矢量控制是高性能的永磁电机伺服驱动系统中主要采用的控制方法。交流电机矢量控制是1971年由德国Blaschke等人提出的，它从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制，因为同步电机在矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。目前，矢量控制技术在永磁同步电机中得到了广泛地应用，其地位超过了该控制方式在异步电机中的地位。
永磁同步电动机的驱动需要机械传感器来检测电机的速度和转子的磁极位置。这些机械传感器和仅能检测速度信号的测速发电机的存在增加了控制系统的复杂性和成本，降低了系统的可靠性，同时也限制了永磁同步电动机在一些特殊场合的应用。
为了克服使用机械传感器给系统带来的缺陷，研究开发一种可靠的、低成本的
中国矿业大学2010届本科生毕业设计 第2页
无机械传感器控制方法便成了电机控制技术领域中的一个研究热点，这种控制方法称为无传感器控制技术。它利用检测出来的电机电压、电流和电机的数学模型进行一些运算来确定电机转子位置和速度，具有不改造电机结构、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿等优点。随着控制理论以及计算机技术的发展，无速度传感器控制技术得到广泛重视。
随着对交流驱动系统研究的深入和对性能要求的不断提高，涌现出了多种复杂而先进的算法，单片机MC51、96及多片MCS96系统的运算速度已不能满足要求。数字信号处理器(DSP)正成为电机控制系统中的首选器件。DSP运算功能强大，专门处理以运算为主的不允许延迟的实时信号，它包含灵活可变的1/O接口和片内I/O管理，高速并行数据处理算法的优化指令集，其先进的品质与性能可为电机控制提供高效的平台。DSP由于采用多总线的哈佛结构，内部设置了专用硬件乘法器以及专用的DSP命令，使其具有高速运算功能——在一个机器周期内就能完成乘法运算，这比通用微处理器快10-100倍，能够实时实现复杂控制算法。随着DSP技术水平的提高及价格不断降低且性能不断改进，使其广泛应用于交流驱动领域成为可能。由DSP组成的全数字化驱动系统可以通过修改控制程序，无须改变系统硬件，便可实现不同的控制算法，实现控制的软件化、柔性化，保证实时性的要求。
综上所述，由数字信号处理器技术和无机械传感器技术相结合实现的永磁同步电机全数字化交流驱动系统己成为运动控制领域的一项重要研究内容[1]。
1.2 永磁同步电动机的国内外研究现状
世界上第一台永磁电机是1831年发明的，但是由于当时采用的天然磁铁磁性能太差，电机的磁能积不足而很快被电励磁电机所取代。随着高性能永磁材料的不断开发和相继问世，其优异的性能又使永磁电机的开发和应用得到迅速发展。特别是第二代稀土永磁材料的研制成功后，为高效永磁同步电动机的开发提供了重要条件。国内外利用稀土永磁的优异磁性能研制开发高效永磁同步电动机已有20多年的历史。1978年，法国CEM公司推出ISOSYN系列0.55-18.5kW稀土钴永磁同步电动机，效率比一般感应电动机高2%-8%，功率因数提高0.05-0.15，起动转矩倍数为1.6-2.2，英国、前苏联、美国等也相继推出类似系列，但功率普遍做得不大。
与电励磁电机相比，永磁同步电动机具有节能高效等一系列优点。永磁同步电动机已成为电机行业的发展热点，随着应用领域的不断扩展，国内外研究人员在永磁同步电动机的优化设计、性能分析方面作了很多研究工作，在电机性能电磁场数值计算方面取得了大量的成果。
1983年，英国著名学者T.J.E.Miller在墨西哥IEEE会议上首次提出异步起动永磁同步电动机的概念，并于次年在杂志上发表文章对异步起动永磁同步电动机的工作原理进行了简要阐述。
1987年，Tommy Sebastian发表了一篇关于永磁同步电动机调速系统的动态建模