永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響

2023年12月31日發(fā)(作者：新年吉祥)

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響□王慶超上海維宏電子科技股份有限公司上海201401摘要：在進(jìn)行永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)確定的轉(zhuǎn)子角度偏差值

介紹了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，從理論和試驗(yàn)兩方面分析了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能

的影響。關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角度偏差驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能中圖分類號(hào):TH6:TM341:TM351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000-4998(2019) 12-0027-02Abstract ： When performing dynamic detection of the rotor position of permanent magnet synchro

motor, usually a relatively determined rotor angular deviation value will occur. The structure of the

permanent magnet synchro motor was introduced. The influence of rotor angular deviation of permanent

magnet synchro motor on the performance of the driving system was analyzed from both theoretical and

experimental Words

： Permanent Magnet Synchro Motor Rotor Angular Deviation

Driving System Performance在轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這類電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)靜態(tài)

特性優(yōu)良。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁材料填裝在轉(zhuǎn)子鐵心

的內(nèi)部，外部由定子鐵心內(nèi)圓和極靴提供保護(hù)，在機(jī)械

強(qiáng)度方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于節(jié)能控制、機(jī)械加工及

伺服控制等領(lǐng)域，具有高效節(jié)能、功率密度高及控制性

能強(qiáng)等特點(diǎn)、在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)其

轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，其中.角度檢測(cè)精度對(duì)系統(tǒng)性

能有顯著影響。目前，關(guān)于角度檢測(cè)精度的研究已經(jīng)取得大量成

果，但是有關(guān)轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能影響的研

究卻相對(duì)較少，因此有必要對(duì)此進(jìn)行研究。2轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的影響逆變器是永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，逆變器的容

1永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成，其

中，定子可以細(xì)分為端蓋、基座、定子鐵心、對(duì)稱繞組等

部分，轉(zhuǎn)子可以細(xì)分為永磁鋼、磁軛、轉(zhuǎn)子軸等部分2。

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，定子繞組通過(guò)對(duì)應(yīng)相數(shù)的對(duì)稱電流

時(shí)，在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中會(huì)形成同步旋轉(zhuǎn)的磁

場(chǎng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性及控制策略與轉(zhuǎn)子磁路

結(jié)構(gòu)存在緊密關(guān)聯(lián)。以轉(zhuǎn)子永磁材料所處的位置為依

據(jù)，可以將永磁同步電機(jī)分為5類，分別為嵌人式永磁

同步電機(jī)、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)、表貼式永磁同步電

機(jī)。嵌人式永磁同步電機(jī)的永磁體鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心的

外表面上，這類電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率密

度高。表貼式永磁同步電機(jī)中，永磁材料對(duì)稱均勻地貼量決定饋電能力，由此，定子電流存在上限。永磁同步

電機(jī)的電流上限同時(shí)還受電力電子器件過(guò)流能力的影

響，整流器輸出的直流母線電壓則約束逆變器提供的

電壓幅值。為研究逆變器約束條件下轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)

系統(tǒng)性能的影響，結(jié)合無(wú)轉(zhuǎn)子角度偏差時(shí)5相永磁同

步電機(jī)而坐標(biāo)系下定子約束方程、忽略定子電阻時(shí)電

壓約束方程，以及有轉(zhuǎn)子角度偏差時(shí)三相永磁同步電

機(jī)如坐標(biāo)系下定子約束方程、忽略定子電阻時(shí)電壓約

束方程，繪制而坐標(biāo)系下的電流和電壓極限圓，然后

結(jié)合永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體參數(shù)進(jìn)行分析。永

磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表i結(jié)合轉(zhuǎn)子角度偏差為15°的情況，基于永磁同步

電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的電流、電壓極限圓，以及電磁轉(zhuǎn)矩

為7.7 Nn、15 N*m時(shí)等轉(zhuǎn)矩曲線可知，電流極限圓

存在一致性，電壓極限圓和等轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)

角度和轉(zhuǎn)子角度偏差值近似3。基于以上分析可以斷

定，一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)子角度偏差，永磁同步電機(jī)的整體運(yùn)行機(jī)械制造總第664期2019,57(12)

27

表I永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)4.1%。.當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為7.7 N-m時(shí)，

項(xiàng)目數(shù)值額定功率/kW2額定電壓/V220額定電流M7額定轉(zhuǎn)矩/(N-m)7.7額定轉(zhuǎn)速/(r-mirT1)2 500額定頻率/Hz166.67極對(duì)數(shù)4d軸電感/mH1.57軸電感1.7永磁體磁鏈/Wb0.167 1定子電阻/n0.51轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg* m2)0.001 53逆變器電流限幅值/A15逆變器母線電壓限幅值A(chǔ)V310效果必然會(huì)受到負(fù)面影響，具體表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩

輸出能力降低、系統(tǒng)可靠性運(yùn)行區(qū)域縮小、系統(tǒng)穩(wěn)定性

降低等。3轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響在永磁同步電機(jī)控制中，電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)電流控制

能力是轉(zhuǎn)子角度偏差影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的集中體

現(xiàn)，主要反映在電流環(huán)控制這一環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)比不同轉(zhuǎn)

子角度偏差下的電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，確認(rèn)這一能

力不僅與電機(jī)的固有參數(shù)有關(guān)，而且會(huì)受到轉(zhuǎn)子角度

偏差及電流運(yùn)行狀態(tài)的影響。4試驗(yàn)分析為進(jìn)一步驗(yàn)證永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)性能的影響，選擇一臺(tái)2 kW永磁同步電機(jī)，配合

位置傳感器、伺服電機(jī)、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器等裝置，搭建

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，綜合采集轉(zhuǎn)矩、速度、電壓、電

流等信號(hào)，進(jìn)行功率和效率分析。4.1

轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 500

r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0~7.7 N_m時(shí)，若存在轉(zhuǎn)子角度偏

差，則控制系統(tǒng)的輸出功率將受到極大影響。隨著轉(zhuǎn)

子角度偏差值增大，永磁同步電機(jī)的運(yùn)行效率逐漸降

低。尤其是在負(fù)載較輕的情況下，運(yùn)行效率降低的幅度

更大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為7.7 N*m時(shí)，不

同轉(zhuǎn)子角度偏差下，永磁同步電機(jī)的運(yùn)行效率表現(xiàn)出

差異性。隨著角度偏差值增大，永磁同步電機(jī)運(yùn)行效

率降低的幅度持續(xù)增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子角度偏差由5°增大為

24°時(shí)，永磁同步電機(jī)運(yùn)行效率的降幅從0.75%提高到28

2019,57(12)不同轉(zhuǎn)子角度偏差值下，永磁同步電機(jī)的銅損也表現(xiàn)

出差異性。在角度精確控制狀態(tài)下，銅損為69.34 W。隨著轉(zhuǎn)

子角度偏差值增大，銅損呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)子角

度偏差為5°時(shí)的銅損為70.46 W,轉(zhuǎn)子角度偏差為10°

時(shí)的銅損為73.49 W。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為7.7 N*m時(shí)，不

同轉(zhuǎn)子角度偏差值下，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

電流幅值出現(xiàn)規(guī)律性變化。在角度精確控制狀態(tài)下，電

流穩(wěn)態(tài)測(cè)試值為6.732 A。隨著角度偏差值增大，電流

穩(wěn)態(tài)測(cè)試值也增大。轉(zhuǎn)子角度偏差為5°時(shí)，電流穩(wěn)態(tài)

測(cè)試值為6.786 A，較精確控制狀態(tài)下出現(xiàn)了 0.8%的

增幅。當(dāng)轉(zhuǎn)子角度偏差為10°和24°時(shí)，電流穩(wěn)態(tài)測(cè)試

值分別增大為6.729 A和7.499 A，增幅分別為2.9%

和 11.39%。4.2轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響初始轉(zhuǎn)速為100 r/min,不同轉(zhuǎn)子角度偏差的情況

下，使永磁同步電機(jī)空載，轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min逐步提高

到2 500 r/min。在此過(guò)程中，除轉(zhuǎn)子角度偏差外的所有

參數(shù)均保持一致。試驗(yàn)表明，隨著轉(zhuǎn)子角度偏差值增大，永磁同步電

機(jī)起動(dòng)加速過(guò)程中的最大轉(zhuǎn)矩值不斷減小，同時(shí)減速

所需的時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)4]。5結(jié)束語(yǔ)筆者通過(guò)理論和試驗(yàn)兩方面分析了永磁同步電機(jī)

轉(zhuǎn)子角度偏差對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能的影

響。轉(zhuǎn)子角度偏差的存在會(huì)使永磁同步電機(jī)的電壓極

限圓出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行工作區(qū)間會(huì)縮小，

系統(tǒng)效率降低，定子銅損增大。在存在轉(zhuǎn)子角度偏差的

情況下，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)提升能力將出

現(xiàn)明顯降低。由研究可知，轉(zhuǎn)子角度偏差值越大，對(duì)驅(qū)

動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行越不利。參考文獻(xiàn)[1] 黃富長(zhǎng).永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)究[D].大連:大連理工大學(xué),2014.[2] 王海兵，趙榮祥，湯勝清，等.永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)偏對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的影響研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2018,33(4)：910-918,[3] 何忠祥.永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制關(guān)鍵問(wèn)題究[D].北京：中國(guó)艦船研究院,2016.[4] 魏冰.電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與現(xiàn)[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2017.A(編輯爾東）機(jī)械制造總第664期研差研實(shí)