1. 研究目的与意义

近年来，现代电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的飞速发展,促进了永磁同步电动机控制技术的不断进步。随着数字控制系统理论的成熟和电力电子器件性能的提高，伺服系统控制器的性能也在不断提高。伺服系统将电力电子器件、控制、驱动 及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机 材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，永磁同步伺服电机控制技术更是得到巨大的进步。伺服电机是伺服系统的核心，如何提高伺服电机的性能，成为伺服系统设计的关键。

本课题对高惯量永磁伺服电机的技术要求、结构形式、绕组特点进行分析，得到相对合理的电机方案并借助有限元电磁场仿真软件对水泵电机进行电磁仿真计算。

2. 课题关键问题和重难点

在永磁电机伺服系统中，电机本体是系统的主体及关键，电机设计技术是伺服驱动技术的首要关键技术，是保障交流伺服系统先进性的首要条件。电磁计算是感应电机设计的关键问题。

设计难点：

1.主要尺寸与气隙的确定；

3. 国内外研究现状（文献综述）

随着第三次科技革命以及信息技术的不断发展,伺服电机系统也不断地改进和完善。我国伺服电机系统的发展要比西方发达国家起步晚,随着我国科技水平的不断提高,伺服电机驱动技术也得到了相应的发展。本文对永磁伺服电机的发展现状进行了一系列的调查研究，对伺服电机的结构形式以及在控制方面的未来有了新的展望。

1.永磁电动机的分类和特点:

永磁电机种类繁多。根据电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电动机两大类 。

永磁电动机又可分为永磁直流电动机和永磁交流电动机。而永磁交流电动机指的是带有永磁转子的多相同步电动机，所以常被称为永磁同步电动机 (PMSM)。

永磁直流电动机如果按有无电剧和换向器来分，又可分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机 (BLDCM )。

与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显着优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域

2.我国伺服电机发展现状:

第一个发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。　第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。　第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。

目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控制方式一般是利用微机实现的。能明显地降低控制器硬件成本。速度更快。可显着改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（MTBF）大大长于分立元件电子电路。硬件电路易标准化。可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，可靠性比较高。同时采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联运，可随时改变控制参数。而且还可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于智能化。随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础。

3.不同拓扑结构中的电流传感器:

图1所示为三相反应式步进电机的一相斩波恒流驱动电路。A相绕组电流 i流经电流采样电阻 r,所得采样电压与给定电流对应电压比较产生开关信号。此信号与相控信号合成后得到斩波信号,控制功率开关 P1,从而使i维持在给定的电流。图2为二相混合式步进电机的一相绕组驱动电路。H桥结构使每相绕组能以双极性驱动。但采样电阻r1上的电压却是单极性的,不用极性转换，经处理可由模数转换部分转换。

对三相无刷直流电机,电流传感器则放在直流侧的负端 ,如图 3所示。看上去流过采样电阻 r2 的电流是三相电流之和, 但无刷直流电机的绕组工作在120通电方式,即每个瞬间只有二相绕组通电 , r2上的电流就是相电流。对永磁同步电机和异步电机的控制特别是磁场定向控制,三相绕组同时通电,采用图3的传感器位置,根据程序中的通电状态和测得的电流,可计算出每相电流。但用脉宽调制(PWM)开关算法,有时导通宽度较窄,使测量和计算变得复杂 ,影响实时性,故通常采用图4的传感器放置方法。Y型连接需要两个传感器才能获得每相相电流。由于绕组和控制部分的电路需要隔离,图 4 中的传感器c1和c2只能采用有隔离功能的电流传感器。

4.总结

本次综述了很多与永磁伺服电机有关的文献，这些文献描述了永磁伺服电机的发展现状，电流传感器在电磁驱动器中的作用和要求，加深了对永磁伺服电机的认识，为之后的设计打下了坚实的基础。

参考文献

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[2] 王庆龙. 交流电机矢量控制系统滑模变结构控制策略研究[D]. [博士学位论文], 合肥, 合肥工业大学, 2007.

[3] 晏朋飞. 基于滑模观测器的无传感器PMSM 驱动控制系统的研究[D]. [硕士学位论文],哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士论文, 2006.

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[5] 夏长亮, 李志强, 王明超, 刘均华. 基于RBF 神经网络在线辨识的永磁无刷直流电机单神经元PID 模型参考自适应控制[J]. 电工技术学报, 2005, 20(11):65-69.

[6]沈绍敏,靳璐.步进电机驱动技术现状及发展[J].电子技术与软件工程,2018,(16):91.

[7]许通.感应电机的电磁设计[J].价值工程,2018,37(19):120-121.

4. 研究方案

1. 设计要求

2.永磁交流伺服电动机结构示意图

3.设计特点和方法

伺服电机尺寸和结构形式灵活多样，不同的转子结构形式具有不同的性能特点，需要设计人员合理选择不同的转子结构，用来满足用户的特殊要求。总的来说，永磁交流伺服电机设计过程中，需要注意以下几个方面的问题。

1）民用永磁交流伺服电机工作温度相对较低，一般需要考虑电机生产成本。这种电机可采用价格较低、工作温度较低、磁性能高的钕铁硼永磁体，选用绝缘性较低的绝缘材料。如果电机发热不严重，这类电机可采用自然冷却。电机转子的机械强度必须符合要求。

2）提高电机工作效率，意味着降低电机损耗，电极损耗包括铜耗、铁耗、杂散损耗等。当电机负载变化不大时，可以将电机额定工作点功率设计得较高，这样可以保证额定点的工作效率。当电动机负载的变化较大是，额定工作点的功率因数不能设计的太高，这样可以保证电机过载运行时的效率也比较高。

提高永磁交流伺服电机的启动性、稳态动能，合理选择电机磁路结构。电机的启动阻力矩主要是齿槽转矩。设计电机时，可以通过极槽配合、减少槽口宽等方法减小齿槽转矩。电机动态性能上主要取决于电机的转动惯量和输出转矩。

5. 工作计划

毕业设计前一学期末完成英文翻译，收集、查阅、文献资料并准备开题报告。

第1周 开学第一天提交英文翻译初稿；周末完成英文翻译终审稿，并上传至毕设管理系统。

第2周 参观、调研；周末提交开题报告初稿；提交开题报告第二、第三稿。