前言

中國稀土資源探明儲量占全球的36.52%，是全球第一大稀土資源大國。中國長期大量出口稀土，現(xiàn)在中國用36.4%的儲量承擔著全球90%以上的稀土供應，為世界稀土市場的供應和穩(wěn)定作出了巨大貢獻。我國是名副其實的世界第一大稀土資源國，已探明的稀土資源量約6588萬噸。我國稀土資源不但儲量豐富，而且還具有礦種和稀土元素齊全、稀土品位及礦點分布合理等優(yōu)勢，為我國稀土工業(yè)的發(fā)展奠定了堅實的基礎。中國稀土資源成礦條件十分有利、礦床類型齊全、分布面廣而有相對集中。中國稀土礦床在地域分布上具有面廣而又相對集中的特點。截止目前為止，地質工作者已在全國三分之二以上的?。▍^(qū)）發(fā)現(xiàn)上千處礦床、礦點和礦化產(chǎn)地。

電機作為一種電能量轉換設備，廣泛的應用于我們的生產(chǎn)和生活，并越來越受到關注。隨著制造技術的不斷發(fā)展和對電機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；于此同時，永磁材料性能的不斷提高和完善，使永磁電機正向大功率化、高性能化和微型化方向發(fā)展。另外，電力電子技術。現(xiàn)代控制理論、高性能的微處理器、電氣與機械信號的檢測技術的迅猛發(fā)展，使電力拖動系統(tǒng)的性能有了階躍性的進步。由稀土材料構建的交流永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能，再結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在高性能的位置伺服系統(tǒng)中有很大的應用空間。

雖然交流調(diào)速系統(tǒng)在國內(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口。在廣泛調(diào)研國內(nèi)外各種先進交流伺服系統(tǒng)的機構原來及工業(yè)設計特點的基礎上，結合稀土交流永磁電機的優(yōu)點，研制了能夠完全取代市場上進口交流調(diào)速裝置的國產(chǎn)化裝置，可廣泛用于數(shù)控機床及一般機床的進給系統(tǒng)，也適用于其它需采用交流調(diào)速的場合。

1交流永磁同步電機結構

永磁同步電機種類繁多，安裝定子繞組感應電動勢的波形的不同，可分為正弦波永磁同步電機（PMSM）和梯形波永磁同步電機（BLDC）。正弦波永磁同步電機定子由三相繞組以及鐵芯構成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組；氣隙場設計為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動勢；轉子采用永磁體代替電勵磁，根據(jù)永磁體在轉子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機可以分為三類：凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。本文所研究的電機為凸裝式正弦波永磁同步電機，結構如圖1所示，定子繞組一般制成多相，轉子由永久磁鋼按照一定對數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機轉子磁極對數(shù)為兩對，則電機轉速為n=60f/p，P為極對數(shù)，f為電流頻率。

圖1凸裝式正弦波永磁同步電機結構圖

目前，三相同步電機現(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立控制外部電源頻率的方式來調(diào)節(jié)轉子的轉速不需要知道轉子的位置信息，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也是通過改變外部電源的頻率來調(diào)節(jié)轉子的轉速，與他控式不同，外部電力頻率的改變是和轉子的位置信息是有關聯(lián)的，轉子轉速越高，定子通電頻率就越高，轉子的轉速是通過改變定子繞組外加電壓（或電流）頻率的大小來調(diào)節(jié)的。由于自控式同步電機不存在他控式同步電機的失步和震蕩問題，并且永磁同步電機永磁體做轉子也不存在電刷和換向器，降低了轉子的體積和質量，提高了系統(tǒng)的響應速度和調(diào)速范圍，且具有直流電動機的性能，所以本文采用的自控式交流永磁同步電機，當把三相對稱電源加到三相對稱繞組上后，自然會產(chǎn)生同步速的旋轉的定子磁場，同步電機轉子的轉速是與外部電源頻率保持嚴格同步的，且與負載大小沒關系。

2交流永磁同步電機的工作原理

本系統(tǒng)采用的自控式的交直交電壓型電機控制方式，由整流橋、三相逆變電路、控制電路、三相交流永磁電機和位置傳感器構成，其結構原理如圖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的三相繞組供電，三相對稱電流合成的旋轉磁場與轉子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生轉矩，拖動轉子同步旋轉，通過位置傳感器實現(xiàn)讀取轉子磁鋼位置，變化成電信號控制逆變器功率器件開關，調(diào)節(jié)電流頻率和相位，使定子和轉子磁勢保持穩(wěn)定的位置關系，才能產(chǎn)生恒定的轉矩，定子繞組中的電流大小是由負載決定的。定子繞組中三相電流的頻率和相位隨轉子位置的變化而變化，使三相電流合成一個與轉子同步的旋轉磁場，通過電力電子器件構成的逆變電路的開關變化實現(xiàn)三相電流的換相，代替了機械換向器。

圖2自控式電機結構原理圖

正弦波永磁同步電機屬于自控式電機，只是電動機的定子反電動勢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相同的轉矩特性，而且實現(xiàn)恒轉矩的調(diào)速特性。本位置伺服系統(tǒng)是通過正弦波永磁同步電機來實現(xiàn)位置伺服功能。

三、交流永磁同步伺服電機的數(shù)學模型建立

正弦波PMSM定子與普通的電勵磁的三相同步電機使基本一樣的，并且反電動勢也是正弦波，那么其數(shù)學模型和電勵磁的三相同步電機也是一樣的。在定子通三相繞組瞬時電流，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，瞬間電流表達式如下：

3結論

交流電機的矢量控制理論提出，是電機控制理論的第一次質的飛躍，使得交流電機的控制跟直流電機控制一樣簡單，并且能獲得較好的動態(tài)性質。本文所建立的數(shù)學模型符合稀土交流永磁同步伺服電機的結構特點。實踐證明，采用稀土交流永磁同步伺服電機構成的交流伺服系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、性能好等特點。