一、概述

自控式永磁同步電動機是由永磁同步電機、變頻器和轉子位置傳感器組成的機電一體化系統，如 下圖一所示

一般來說，市場上存在多種型式的變頻器，例如，交直交電流型、交直交電壓型、交交電流型和 交交電壓型。永磁同步電機與不同類型的變頻器結合可以組成不同類型的自控式永磁同步電機，本文 的討論對象是用于精密伺服控制系統的交直交電壓型自控式永磁同步電機

二、自控式永磁同步電機的基本工作原理

下圖二、圖三是交直交電壓型自控式永磁同步電機的結構示意圖，其中圖二是由單相交流電源供 電的自控式永磁同步電機，圖三是由三相交流電源供電的自控式永磁同步電機，它們的主電路由整流 器、濾波電容器和逆變器組成

通常，整流器采用單相不控整流器或三相不控整流器，整流橋把單相或三相 50Hz 的交流電壓轉 換成恒定的直流電壓，整流橋的直流電壓輸出經電容平滑濾波后被送至逆變器。逆變橋是由六個 180° 導通的功率開關器件 M1、M2、M3、M4、M5 和 M6 組成的電壓型三相半橋逆變電路，逆變器通常采 用正弦脈寬調制（SPWM）或空間矢量脈寬調制（SVPWM），其輸出為對稱的三相脈寬調制電壓。逆 變器的輸出電壓被施加到自控式永磁同步電機的定子三相電樞繞組上，使電機正常運行

在一般的三相同步電機中，當 U、V 和 W 三相電樞繞組同時接上三相對稱的頻率為 f 的正弦電壓 Uu、Uv 和 Uw 時，三相電樞繞組內便流過三相對稱的頻率為 f 的正弦電流 Iu、Iv 和 Iw，各相電流在各 自的繞組軸線上產生隨時間按正弦規律變化的磁動勢 Fu、Fv 和 Fw，三個磁動勢在空間疊加便產生合 成的電樞磁動勢 Fa。合成的電樞磁動勢 Fa 的幅值是不隨時間而變化的恒定值，但在空間以ω=2Πf 角 速度連續旋轉。如果規定電流流入繞組的方向為正（十）方向，流出繞組的方向為負（—）方向，則 在電機運行的任意時刻，對 U、V 和 W 三個繞組中電流而言，有時是二進一出，有時是一進二出，例 如，電流從 U 相繞組和 W 相繞組流入，而從 V 相繞組流出;或電流從 U 相繞組流入，而從 V 相繞組 和 W 相繞組流出。我們把電樞電流 Iu、Iv 和 Iw 按一定規律在電樞繞組中的流向稱之為"流向狀態"， 把電樞磁動勢 Fu、Fv 和 Fw 按一定規律在空間的取向稱之為"取向狀態"。在三相同步電動機運行的一 個周期中，電樞繞組內的電流有六個不同的"流向狀態";相應地，Fu、Fv 和 Fw 三個磁動勢在空間也有 六個不同的"取向狀態"，每一個狀態持續 60°電角度，如圖四所示。在同步電動機中，每一個電流的" 流向狀態"和磁動勢的"取向狀態"對應一個"磁狀態"，每一個"流向狀態"內，合成的電樞磁動勢 F 轉過 60°電角度;六個相互銜接的"流向狀態"之間是連續的變化，而不是跳躍式的變化

在自控式永磁同步電機（PMSM）中，我們采用恰當的正弦脈寬調制或空間矢量脈寬調制（SVPWM） 的逆變器就能滿足上述一般三相同步電機的運行條件。在自控式永磁同步電機中，逆變器輸出的三相 脈寬調制電壓同時接通自控式永磁同步電機的定子三相電樞繞組，電機的三相電樞繞組在對稱的三相 脈寬調制電壓的作用之下，流過三相對稱的接近正弦的連續電流，并在定子內腔產生連續旋轉的電樞 磁場，牽動轉子磁場一起同步旋轉，具體運行過程如表一所列。這表明，在自控式永磁同步電機中， 同樣存在著相互銜接的連續變化的六個"流向狀態";不同點在于逆變器輸出的三相脈寬調制電壓的基波 頻率不是固定不變，也不是獨立變化的; 而是受制于電機的轉速，任何瞬間三相電樞繞組的通電狀態都 由永磁轉子的位置來決定，即跟隨著電機轉速的變化而同步變化，并能確保電樞磁場和轉子磁場之間 有接近 90°電角度的夾角。因此，自控式永磁同步電機有時也被稱為自同步式永磁同步電機

三、永磁同步電機與無刷直流電機比較

自控式永磁同步電機（PMSM）與無刷直流電機（BLDCM）相比較，在定轉子結構上沒有多大差異， 它們的主要區別在于，無刷直流電機通常采用 120°導通型的逆變器，電動機的供電電壓為直流矩形波， 在一般情況下，定子三相電樞繞組為一相一相或二相二相輪流接（導）通，并在一相或二相電樞繞組 內流過接近矩形波的斷續電流，從而在氣隙內形成跳躍式的旋轉磁場，以這種方式運行的電機被稱之 為無刷直流電機（BLDCM），它是在有刷直流電機的基礎上演變發展而來的，承接了有刷直流電機的 設計理念;而自控式永磁同步電機通常采用 180°導通型的逆變器，電機的供電電壓為三相正弦脈寬調 制波形，定子三相電樞繞組被同時接（導）通，并流過三相對稱的接近正弦的連續電流，從而在氣隙 內形成連續的圓形旋轉磁場，以這種方式運行的電動機被稱之為自控式永磁同步電機（PMSM），它是 在一般同步電機的基礎上演變發展而來的，承接了同步電機的設計理念

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