永磁同步电机转子角度偏差对驱动系统性能的影响

2023年12月31日发(作者：新年吉祥)

永磁同步电机转子角度偏差对驱动系统性能的影响□王庆超上海维宏电子科技股份有限公司上海201401摘要：在进行永磁同步电机转子位置动态检测时，通常会出现一个相对确定的转子角度偏差值

介绍了永磁同步电机的结构，从理论和试验两方面分析了永磁同步电机转子角度偏差对驱动系统性能

的影响。关键词:永磁同步电机转子角度偏差驱动系统性能中图分类号:TH6:TM341:TM351 文献标志码：B 文章编号：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在转子铁心的外表面上，这类电机的优势在于动静态

特性优良。内置式永磁同步电机的永磁材料填装在转子铁心

的内部，外部由定子铁心内圆和极靴提供保护，在机械

强度方面具有较大的优势。永磁同步电机广泛应用于节能控制、机械加工及

伺服控制等领域，具有高效节能、功率密度高及控制性

能强等特点、在永磁同步电机运行过程中，需要对其

转子位置进行动态检测，其中.角度检测精度对系统性

能有显著影响。目前，关于角度检测精度的研究已经取得大量成

果，但是有关转子角度偏差对驱动系统性能影响的研

究却相对较少，因此有必要对此进行研究。2转子角度偏差对驱动系统稳态性能的影响逆变器是永磁同步电机的驱动机构，逆变器的容

1永磁同步电机结构永磁同步电机主要由定子和转子两部分构成，其

中，定子可以细分为端盖、基座、定子铁心、对称绕组等

部分，转子可以细分为永磁钢、磁轭、转子轴等部分2。

电机运行过程中，定子绕组通过对应相数的对称电流

时，在定子和转子之间的气隙中会形成同步旋转的磁

场，进而带动转子同步旋转。永磁同步电机的运行特性及控制策略与转子磁路

结构存在紧密关联。以转子永磁材料所处的位置为依

据，可以将永磁同步电机分为5类，分別为嵌人式永磁

同步电机、内置式永磁同步电机、表贴式永磁同步电

机。嵌人式永磁同步电机的永磁体镶嵌在转子铁心的

外表面上，这类电机的主要优点为起动转矩大、功率密

度高。表贴式永磁同步电机中，永磁材料对称均匀地贴量决定馈电能力，由此，定子电流存在上限。永磁同步

电机的电流上限同时还受电力电子器件过流能力的影

响，整流器输出的直流母线电压则约束逆变器提供的

电压幅值。为研究逆变器约束条件下转子角度偏差对

系统性能的影响，结合无转子角度偏差时5相永磁同

步电机而坐标系下定子约束方程、忽略定子电阻时电

压约束方程，以及有转子角度偏差时三相永磁同步电

机如坐标系下定子约束方程、忽略定子电阻时电压约

束方程，绘制而坐标系下的电流和电压极限圆，然后

结合永磁同步电机驱动系统的具体参数进行分析。永

磁同步电机驱动系统参数见表i结合转子角度偏差为15°的情况，基于永磁同步

电机在不同转速下的电流、电压极限圆，以及电磁转矩

为7.7 Nn、15 N*m时等转矩曲线可知，电流极限圆

存在一致性，电压极限圆和等转矩曲线出现旋转，旋转

角度和转子角度偏差值近似3。基于以上分析可以断

定，一旦出现转子角度偏差，永磁同步电机的整体运行机械制造总第664期2019,57(12)

27

表I永磁同步电机驱动系统参数4.1%。.当转速为2 500 r/min,负载转矩为7.7 N-m时，

项目数值额定功率/kW2额定电压/V220额定电流M7额定转矩/(N-m)7.7额定转速/(r-mirT1)2 500额定频率/Hz166.67极对数4d轴电感/mH1.57轴电感1.7永磁体磁链/Wb0.167 1定子电阻/n0.51转动惯量/(kg* m2)0.001 53逆变器电流限幅值/A15逆变器母线电压限幅值AV310效果必然会受到负面影响，具体表现为驱动系统转矩

输出能力降低、系统可靠性运行区域缩小、系统稳定性

降低等。3转子角度偏差对驱动系统动态性能的影响在永磁同步电机控制中，电磁转矩响应电流控制

能力是转子角度偏差影响驱动系统动态性能的集中体

现，主要反映在电流环控制这一环节。通过对比不同转

子角度偏差下的电磁转矩动态响应能力，确认这一能

力不仅与电机的固有参数有关，而且会受到转子角度

偏差及电流运行状态的影响。4试验分析为进一步验证永磁同步电机转子角度偏差对驱动

系统性能的影响，选择一台2 kW永磁同步电机，配合

位置传感器、伺服电机、动态扭矩传感器等装置，搭建

电机驱动系统试验平台，综合采集转矩、速度、电压、电

流等信号，进行功率和效率分析。4.1

转子角度偏差对稳态性能的影响结合试验结果，当永磁同步电机的转速为2 500

r/min,负载转矩为0~7.7 N_m时，若存在转子角度偏

差，则控制系统的输出功率将受到极大影响。随着转

子角度偏差值增大，永磁同步电机的运行效率逐渐降

低。尤其是在负载较轻的情况下，运行效率降低的幅度

更大。当转速为500 r/min，负载转矩为7.7 N*m时，不

同转子角度偏差下，永磁同步电机的运行效率表现出

差异性。随着角度偏差值增大，永磁同步电机运行效

率降低的幅度持续增大。当转子角度偏差由5°增大为

24°时，永磁同步电机运行效率的降幅从0.75%提高到28

2019,57(12)不同转子角度偏差值下，永磁同步电机的铜损也表现

出差异性。在角度精确控制状态下，铜损为69.34 W。随着转

子角度偏差值增大，铜损呈现持续增大的趋势。转子角

度偏差为5°时的铜损为70.46 W,转子角度偏差为10°

时的铜损为73.49 W。当转速为2 500 r/min,负载转矩为7.7 N*m时，不

同转子角度偏差值下，永磁同步电机的转子稳态运行

电流幅值出现规律性变化。在角度精确控制状态下，电

流稳态测试值为6.732 A。随着角度偏差值增大，电流

稳态测试值也增大。转子角度偏差为5°时，电流稳态

测试值为6.786 A，较精确控制状态下出现了 0.8%的

增幅。当转子角度偏差为10°和24°时，电流稳态测试

值分别增大为6.729 A和7.499 A，增幅分别为2.9%

和 11.39%。4.2转子角度偏差对动态性能的影响初始转速为100 r/min,不同转子角度偏差的情况

下，使永磁同步电机空载，转速从100 r/min逐步提高

到2 500 r/min。在此过程中，除转子角度偏差外的所有

参数均保持一致。试验表明，随着转子角度偏差值增大，永磁同步电

机起动加速过程中的最大转矩值不断减小，同时减速

所需的时间持续延长4]。5结束语笔者通过理论和试验两方面分析了永磁同步电机

转子角度偏差对驱动系统稳态性能和动态性能的影

响。转子角度偏差的存在会使永磁同步电机的电压极

限圆出现旋转，同时系统的稳定运行工作区间会缩小，

系统效率降低，定子铜损增大。在存在转子角度偏差的

情况下，永磁同步电机的电磁转矩动态提升能力将出

现明显降低。由研究可知，转子角度偏差值越大，对驱

动系统的运行越不利。参考文献[1] 黄富长.永磁同步电机伺服驱动系统若干关键技术究[D].大连:大连理工大学,2014.[2] 王海兵，赵荣祥，汤胜清，等.永磁同步电机位置检测偏对驱动系统性能的影响研究[J].电工技术学报,2018,33(4)：910-918,[3] 何忠祥.永磁同步电机无位置传感器控制关键问题究[D].北京：中国舰船研究院,2016.[4] 魏冰.电动汽车用永磁同步电机控制系统的研究与现[D].沈阳：沈阳工业大学,2017.A(编辑尔东）机械制造总第664期研差研实