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中国科技信息２００５年第２４期　　　　ＣＨＩＮＡ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｄｅｃ．２００５

科　技　论　坛

永磁同步电动机与通常带有励磁绕组的同步

电动机不同，特别是在要求运行可靠性的情况

下，需要采用永磁同步电动机。如果转子中的永

久磁铁是由高能量密度材料（如稀土）制成，则还

具有许多传动系统动态性能上的优点，与普通直

流电动机相比，此电动机在运行维护方面费用极

小，主要是因为没有机械换向器，这是在控制技

术方面多付出一定的费用才能换得的优点。另一

方面，与异步电动机相比，采用永磁同步电动机

时转子损耗要小得多。再者由于变频器技术的改

进，目前尤其是在小功率范围（机床的主轴和伺服

传动等）更喜欢采用永磁同步电机传动。

永磁同步电动机通常由钡铁氧体构成的磁铁

为片状，与转子轴径向布置。磁铁借助于楔形软

磁材料的极靴固定，极靴由一非磁性支架支撑，

因而不会产生磁短路。此外，通过这些极靴可以

避免定子电流较大时产生的钡铁氧体板的退磁现

象。但必须注意，由于转子各组成部分的导磁率

不同，电动机的电磁感应取决于转子的瞬时位

置，这就导致了感应电压畸变。

功率部分的核心是作为电流中间回路的直流

斩波器。电子控制线路如图１所示。借助于不可

控的二极管桥（电源端变流器）产生恒定的中间回路

电压。随后由直流斩波器按照已知的中间回路控

制方法向同步电动机供电。

图１

直流斩波器由电流调节器控制，其输入端为

存储在ＥＰＲＯＭ存储器中的起动电流给定值不

Ｉｓｑ。控制角ε用来控制起动电流Ｉｓｑ，ε是ＰＬＬ

回路的输出量。转矩初值可借助速度调节器检测

的速度ｎｓｑ和速度实际值ｎ的偏差确定。用带有

相应的函数发生器的矢量旋转器来控制电机的变流

器，函数发生器的输入端输入转矩值。由转速测

量装置借助一个特殊的建模给出实际转速ｎ。

电压模型和机械模型以及带有微处理机的测

速装置是线路的关键环节。转速测量电路概况如

图２所示。如果在起动范围内，与转速成比例的

内部同步电压很小（在ｎ≈０时），则此电压不足以

保证电机的变流器换向。这时要通过机械模型来

控制旋转运动，用中间回路脉冲控制换向。通过

控制直流斩波器可使导通的晶闸管中的电流减小到

维持电流以下。如果频率足够高（≥１５ｋＨｚ），中

永磁同步电动机调速传动系统

张莉　鸡西大学１５８１０１

摘　　要：永磁同步电动机在调速传动系统中的控制过程。

关键词：交流电气传动；同步电动机

间回路电抗器的电感可以选得小一些，使电流变

化的速度加快，然而随着转速上升，其他过程开

始起作用，因为同步电动机本身可以提供无功

率，而转向可以通过电压模型保证。在这种情况

下，控制角ε与电压模型提供的磁通方向有关，

这与系统的正常运行情况是一致的。

图２

在起动范围内，控制中间回路所需的频率与

瞬时转向必须以固定相位相连，与随时间变化的电

流给定值相同（图１）。通过ＥＰＲＯＭ中存储的数据

来实现控制。转换环节在这种情况下起重要作用

（如图２所示），因为它借助于ＰＬＬ回路允许从控制

运行过渡到定向运行，而不产生暂态现象，这表

明，即使机械模型只是近似定向，也能实现从机械

模型向电压模型的平稳过渡，如果系统切换到电压

模型，则机械模型的阻尼系数可以提高到ｌ，相当

于空间矢量角的一种固定耦合。

电动机侧的变流器可借助于所测定的转子位

置？（图２），或通过定子磁通空间矢量ψｓ１来控

制，定子磁通的空间矢量可借助电压模型来确

定。如果电机测变流器由一个装有６个晶闸管的

桥式电路构成，那么它仅有６个断续电流空间矢

量是可用的状态，如果由定子电流使电流空间矢

量旋转６０°后所达到的位置，电流空间矢量便停

在此位置直至下一次换向过程。假定从一个位置

过渡到下一次电流换向的速度非常快，而转子由

于其机械惯性无法对这一速度的变化作出反应。

转子按恒定的角速度转动，经过电流空间矢量，

由于转子的不连续转动导致转矩的波动（以及电气

一周内转速的波动）。根据实际情况，控制角ε

可用它的平均值来表示。

图３

图３示出了由控制角形成电流给定值Ｉｓｑ。控

制角借助于Ａ／Ｄ转换器数字化，并通过锁存送至

ＥＰＲＯＭ存储器的输入端。这是输入地址的第一

部分，由环形计数器提供第二部分。环形计数器

与电机侧变流器的触发脉冲同步，在适当的时

刻，通过控制单元，将此地址存储在输出端的锁

存器中。随后可将存储的电流的给定值变为其绝

对值，这是通过乘法Ｄ／Ａ变换器完成的。

图３中的方法解决了在低速时产生转矩波动

的问题。若同步电动机Ｌｑ＝Ｌｄ（柱形转子电动机属

于这种情况）并且控制角ε（ｔ）具有小的波动，那么

实际上能保持连续的转矩。这是由于转矩构成部

分Ｉｓｑｓｉｎε（ｔ）也是连续的。为了达到这一目的，

可进行电流调制，但应注意，调制仅能达到变流器

限定的电流为止。然后保持最大电流恒定不变，直

到换向为止。这样可以保证转矩达到一定的平滑

度，但这种电流调制方法也具有一些缺点，首先，

高转速时转矩是由于转子本身惯性矩而达到一定的

平滑度，这时可以不需要调制。其次，直流斩波器

的配置仍然有困难，另外变流器的费用问题也是缺

点之一。

如果永磁同步电动机由晶体管脉冲变流器供

电，传动装置的动态性能可以得到明显改善。这

时电流空间矢量可以作任意方向的调整，因此由

定子电流和电压产生的定向量可供任意时刻使用。

变流器如装有快速开关的双极晶体管，在已考虑

足够的控制量情况下，可以获得同步电动机的最

好电流波形。脉冲逆变器的连续可变输出量也有

助于获得这一结果。这表明输出电压的平均值在

间隔（＋Ｕｋ／２，Ｕｋ／２）之内可随意微调。此外，

电压ＵＲ与相应的控制系数αＲ成比例，这同样

也适用于Ｕｓ和Ｕｔ，在一对桥臂的两个晶体管短时

关闭的情况下，最大控制系数取决于频率ｆＴ、最

小导通时间ＴＥ和封锁时间Ｔｓ。若αＲ（及相应电

压ＵＲ）很大，则必须选择小的频率。另一方面频率

应尽可能选择高一些，这样可使电流的波动性以及

变频器的死区都很小。

由于现代技术的发展，永磁同步电动机传动

已成为一种引人注意的传动方案。另外，这种电机

的转子结构异常坚固，可以与笼型转子的结构相

比。此外，若借助电压模型（不用传感器）来检测转

子位置（如上述传动方案），可获得很高的运行可靠

性。尤其是当必须确定在整个速度范围内的转子位

置时，这种不用传感器检测转子位置方法有所不

足。但如果形成二个电压模型的校正量，在零转速

时仍可进行调速运行。

参考文献：

１，顾绳谷．《电机及拖动基础》．北京：机械工

业出版社．１９８１下载本文