前言

中國(guó)稀土資源探明儲(chǔ)量占全球的36.52%，是全球第一大稀土資源大國(guó)。中國(guó)長(zhǎng)期大量出口稀土，現(xiàn)在中國(guó)用36.4%的儲(chǔ)量承擔(dān)著全球90%以上的稀土供應(yīng)，為世界稀土市場(chǎng)的供應(yīng)和穩(wěn)定作出了巨大貢獻(xiàn)。我國(guó)是名副其實(shí)的世界第一大稀土資源國(guó)，已探明的稀土資源量約6588萬(wàn)噸。我國(guó)稀土資源不但儲(chǔ)量豐富，而且還具有礦種和稀土元素齊全、稀土品位及礦點(diǎn)分布合理等優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)稀土工業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中國(guó)稀土資源成礦條件十分有利、礦床類型齊全、分布面廣而有相對(duì)集中。中國(guó)稀土礦床在地域分布上具有面廣而又相對(duì)集中的特點(diǎn)。截止目前為止，地質(zhì)工作者已在全國(guó)三分之二以上的省（區(qū)）發(fā)現(xiàn)上千處礦床、礦點(diǎn)和礦化產(chǎn)地。

電機(jī)作為一種電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于我們的生產(chǎn)和生活，并越來(lái)越受到關(guān)注。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)電機(jī)工作原理研究的不斷深入，目前涌現(xiàn)出了很多新型的電機(jī)；于此同時(shí)，永磁材料性能的不斷提高和完善，使永磁電機(jī)正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展。另外，電力電子技術(shù)?，F(xiàn)代控制理論、高性能的微處理器、電氣與機(jī)械信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能有了階躍性的進(jìn)步。由稀土材料構(gòu)建的交流永磁同步電機(jī)具備十分優(yōu)良的低速性能，再結(jié)合高精度電力電子器件，可以完成精確位置伺服控制，而且可以應(yīng)用弱磁高速控制，拓寬調(diào)速范圍，提高冬天特性和效率，這樣使得由交流永磁同步電機(jī)在高性能的位置伺服系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用空間。

雖然交流調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)被大量使用，但絕大多數(shù)裝置尤其是高性能交流伺服裝置依賴進(jìn)口。在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外各種先進(jìn)交流伺服系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)原來(lái)及工業(yè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合稀土交流永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，研制了能夠完全取代市場(chǎng)上進(jìn)口交流調(diào)速裝置的國(guó)產(chǎn)化裝置，可廣泛用于數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，也適用于其它需采用交流調(diào)速的場(chǎng)合。

1交流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)種類繁多，安裝定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形的不同，可分為正弦波永磁同步電機(jī)（PMSM）和梯形波永磁同步電機(jī)（BLDC）。正弦波永磁同步電機(jī)定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組；氣隙場(chǎng)設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動(dòng)勢(shì)；轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機(jī)可以分為三類：凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。本文所研究的電機(jī)為凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按照一定對(duì)數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為兩對(duì)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為n=60f/p，P為極對(duì)數(shù)，f為電流頻率。

圖1凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

目前，三相同步電機(jī)現(xiàn)在主要有兩種控制方式，一種是他控式（又稱為頻率開環(huán)控制）；另一種為自控式（又稱為頻率閉環(huán)控制）。他控式方式主要是通過獨(dú)立控制外部電源頻率的方式來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不需要知道轉(zhuǎn)子的位置信息，經(jīng)常采用恒壓頻比的開環(huán)控制方案。自控式永磁同步電機(jī)也是通過改變外部電源的頻率來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，與他控式不同，外部電力頻率的改變是和轉(zhuǎn)子的位置信息是有關(guān)聯(lián)的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子通電頻率就越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是通過改變定子繞組外加電壓（或電流）頻率的大小來(lái)調(diào)節(jié)的。由于自控式同步電機(jī)不存在他控式同步電機(jī)的失步和震蕩問題，并且永磁同步電機(jī)永磁體做轉(zhuǎn)子也不存在電刷和換向器，降低了轉(zhuǎn)子的體積和質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)速范圍，且具有直流電動(dòng)機(jī)的性能，所以本文采用的自控式交流永磁同步電機(jī)，當(dāng)把三相對(duì)稱電源加到三相對(duì)稱繞組上后，自然會(huì)產(chǎn)生同步速的旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是與外部電源頻率保持嚴(yán)格同步的，且與負(fù)載大小沒關(guān)系。

2交流永磁同步電機(jī)的工作原理

本系統(tǒng)采用的自控式的交直交電壓型電機(jī)控制方式，由整流橋、三相逆變電路、控制電路、三相交流永磁電機(jī)和位置傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。在圖2中，50HZ的市電經(jīng)過整流后，由三相逆變器給電機(jī)的三相繞組供電，三相對(duì)稱電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，通過位置傳感器實(shí)現(xiàn)讀取轉(zhuǎn)子磁鋼位置，變化成電信號(hào)控制逆變器功率器件開關(guān)，調(diào)節(jié)電流頻率和相位，使定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)保持穩(wěn)定的位置關(guān)系，才能產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，定子繞組中的電流大小是由負(fù)載決定的。定子繞組中三相電流的頻率和相位隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，使三相電流合成一個(gè)與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過電力電子器件構(gòu)成的逆變電路的開關(guān)變化實(shí)現(xiàn)三相電流的換相，代替了機(jī)械換向器。

圖2自控式電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

正弦波永磁同步電機(jī)屬于自控式電機(jī)，只是電動(dòng)機(jī)的定子反電動(dòng)勢(shì)和電流波形均為正弦波，并且保持同相，其可以獲得與交流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩特性，而且實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速特性。本位置伺服系統(tǒng)是通過正弦波永磁同步電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)位置伺服功能。

三、交流永磁同步伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立

正弦波PMSM定子與普通的電勵(lì)磁的三相同步電機(jī)使基本一樣的，并且反電動(dòng)勢(shì)也是正弦波，那么其數(shù)學(xué)模型和電勵(lì)磁的三相同步電機(jī)也是一樣的。在定子通三相繞組瞬時(shí)電流，如圖3所示。三相定子繞組流過平衡電流分別為ia，ib，ic，在空間上互差120度，瞬間電流表達(dá)式如下：

3結(jié)論

交流電機(jī)的矢量控制理論提出，是電機(jī)控制理論的第一次質(zhì)的飛躍，使得交流電機(jī)的控制跟直流電機(jī)控制一樣簡(jiǎn)單，并且能獲得較好的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。本文所建立的數(shù)學(xué)模型符合稀土交流永磁同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。實(shí)踐證明，采用稀土交流永磁同步伺服電機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能好等特點(diǎn)。