永磁同步馬達研修中文課件

1、控制基板變頻器 系統 功率模塊控制技術控制裝置軟件技術（程序編制）功率裝置技術応用技術模塊技術回路技術加入軟件的MCU電機技術応用技術技術應用（注）軟件（技術利用）電機控制技術（不是MCU軟件）扭矩發(fā)生原理 （）弗來明定律 （）轉子位置和扭矩的關系什么是永磁式同步電機? （）構造 （）表面磁鐵和埋入磁鐵 （）關于電感 （）兩種電感改變電機速度的方法 （）負載的種類 （）重要運動方程式 （）4種控制系永磁式同步電機的基本特性 （）2種扭矩 （）2種通電方式120度通電方式 （）6種通電模式 （）重疊期間 （）電壓控制方法180度通電方式 （）通電模式 （）電壓控制方法電機電壓模式 （）電壓,電流

2、位相關系 （）回轉座標系的矢量表現 （）回轉座標系模式Image矢量控制 （）目標 （）一般方法 （）什么最難？干涉項180度通電位置無感應方法 (）利用什么? (）中高速日立方式.電機電流檢測方法 （）3種方式 （）one shunt電流檢測方法目 錄永磁磁鐵同步電機驅動的基礎知識扭矩磁束電流sin(電流與磁束之間的角度）磁束（電流與磁束之間的直交成分）圖1弗來明左手定律 図磁束與電流之間的關系 磁阻扭矩扭矩發(fā)生原理（）弗來明定律永磁式同步電機發(fā)生扭矩（勵磁電流Id）電流 磁束 （）線圈回轉 （）永磁回轉 永磁磁束 線圈磁束 S N （）鐵回轉 鐵的 磁束方向 線圈磁束 線圈磁束 S N 磁

3、束 電流 電流直交成分 （扭矩電流Iq） 力的方向（大拇指） 磁束方向（食指） d軸 磁束的 直交方向（中指） 軸 圖2-16 磁阻扭矩與磁鐵扭矩永磁磁束線圈磁束SN扭矩發(fā)生原理（）轉子位置與扭矩關系（圖2-16的橫軸角度方向）【重點】合理利用兩種扭矩(控制電流位相)，使電流最小。0度 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -90 0 90 180 270 角度 () 總扭矩 磁鐵扭矩 磁阻扭矩 30 磁鐵扭矩：磁阻扭矩 100 Nm：50 Nm 2 ： 1 扭矩 (N) 什么是永磁式同步電機？（）構造(a)分布卷定子和埋入式非突極轉子（鐵素體磁鐵） （）集中

4、卷定子和埋入式突極轉子（釹磁鐵） 付表構造分類圖片馬達構造 轉子磁鐵位置 轉子磁鐵配置 定子卷線構造 電機構造 表面型 埋入型 非突極型 突極型 分布卷 集中卷 表2-2表面磁鐵與埋入磁鐵的形狀比較什么是永磁式同步電機？（）表面磁鐵和埋入磁鐵圖2-8埋入磁鐵的各種埋入方式什么是永磁式同步電機？ ？（）關于電感什么是電感？表示磁束容易通過的量i磁束電流i什么是3相線圈同步電感？磁束泄露交鎖磁束計算公式如下：磁氣飽和現象：在大電流情況下，L變小。什么是永磁同步馬達（）兩種電感同步電感電氣角度180360LqLd難控制點：電流不同,L會變化Id，ILdLq參考圖 突極性電感的變化例圖(a) 根據位置

5、而變化(b)根據電流而變化SN磁束量 多(大)90SN磁束量少(小)【重點】控制L的同時，也會受到其它控制。（特是在無位置傳感器的情況下）同步電感 飽和現象改變電機速度的方法（）負荷的種類圖種負荷【重點】知道了負載特性，才可以進行最好的控制開發(fā)。 （）次負荷 （）定輸出負荷 （）定扭矩負荷 風機，熱水泵等 真空熱水泵， 車,搬運等起動時 冷媒壓縮機等 回転速度 回轉速度 回転速度 負荷扭矩 負荷扭矩 負荷扭矩 例 例2 例 例2 J：慣性【kg-m2】（一定or可變），：角速度【rad/s】（可檢測or不可檢測）m：電機扭矩【Nm】（從電流處可以計算） L：負荷扭矩【Nm】重要的運動方程式如果

6、想改變和扭矩成比例的電流改變電壓回轉數一定馬達扭矩和負荷扭矩相等左邊右邊式（1-1）式（1-2）改變電機速度的方法（）重要的運動方程式圖從電壓控制到位置控制系的4種控制形態(tài)。改變電機速度的方法（）4種控制系高応答用途電壓控制位置速度電流（扭矩）Opening控制cleaner通用變頻器(低扭矩類型)空調通用變頻器(高扭矩類型)速度為推定值通用變頻器(高扭矩類型)速度為推定值伺服電機電壓電壓控制速度控制位置控制電流控制計算速度計算位置位置信號檢測電流電壓控制速度控制計算速度電壓控制速度控制電流控制計算速度檢測電流速度信號無位置檢測運轉的扭矩特性有位置檢測動轉的扭矩速度一定根據其負荷，電流位相會發(fā)

7、生變化（其位相根據印加電壓而變化）同直流電機相同特性負荷增加（減少）速度低（高） 誘起電壓下降（增加）和電源的電壓差增加（減少） 扭矩電流增加（減少） 扭矩增加（減少）圖3-2無位置檢測驅動的扭矩特性圖圖3-3有位置檢測驅動的扭矩特性圖sin(磁束和電流位相差d）；固定sin(磁束和電流的位相差d）；變化永磁同步馬達的基本特性（）兩種扭矩特性電源電壓Vm大負荷扭矩電機扭矩速度頻率f 大負荷扭矩電機扭矩速度電源電壓Vm 大小大圖3-4INV和永磁同步電機圖3-5改1120度通電驅動時的電流波形圖3-8180度通電正弦波驅動的電流波形120度通電方式：方形波驅動簡單的方法，Torque Rippl

8、e大180度通電方式：正弦波驅動最近的動向，效率噪音低減永磁同步電機的基本特性（2）兩種通電方式 誘起電壓為臺形波狀誘起電壓為正弦波狀相 INV直流電源UVW永磁同步馬達NNSSU+V+W+U-V-W- 相電機電流 180 相誘起電壓 重疊期間u 0 120 d 60 300 240 電機電流 q(0) 0 60 120 d 誘起電壓 300 240 180 圖3-6改 6種通電Pattern結合回轉位置及變化的誘起電壓，誘起電壓選擇最大相的卷線和最小相的卷線進行通電。120度通電方式（）6種通電Pattern圖3-改120度通電Pattern圖2-4兩種通電MODE120度通電方式（）重疊期

9、間図3-改120度通電【重點】 Torque Ripple 1Cylce發(fā)生6次 還流電流如果chopper off，Ripple會增大最適當的轉流位相：重疊期間位相線間電壓0位相 Iu Iv IW 1cycle發(fā)生6次重疊期間 eu 0 ev eW 2tu ut 重疊期間 Ed V- U+ (a)2相通電MODE Ed W- U+ V+ 環(huán)流電流 (b)3相通電MODE (重復期間) 圖3-9度通電等價回路直流電源和電機卷線間有兩個開關直流電壓可變；控制任何一個開關chopper動作；控制 120度通電方式（）電壓控制法可変PAMchopperPWM表3-2 120度通電的各種PWM控制方法

10、 Chopper領域 非相補動作 相補動作 上arm全域 120度60度上下 120度60度上下 下arm全域 120度60度上下 120度60度上下 後半度 120度60度上下後半60度 120度60度上下後半60度 前半度 120度上下前半60度 120度上下前半60度 180度通電方式（）通電Pattern參考圖例如任意位置的通電pattern結合回轉位置、變化誘起電壓（鎖交磁束進行90度），同位相（非突 極機）的正弦波電流流出。參考圖誘起電壓和電機電流的關系（非突極機的情況下） 相電機電流 180 0 120 d 30 300 240 相誘起電圧 相誘起電圧 相電機電流 相電機電流 相

11、誘起電圧 相線卷鎖交磁束 330 270 210 60 90 150 決定電機電流的波形、大小、位相的3要素。【電壓的3要素】波形：Pulse Width Modulation 正弦波。大?。赫{整H（=正弦波波高值三角波波高值）位相：調整（例如向量控制）圖3-10PWM信號的基本作成方法（相變調）圖3-11 和基本波電壓比率180度通電方式（）電壓控制法【重點】電機電流為正弦波電機誘起電壓為正弦波INV輸出電壓為正弦波載波信號 信號波 vu vv vw 原信號 High:上armon下armoff Low:下armon 上armoff 0.0 0.2 0.4 0.6 0.0 0.2 0.4 0

12、.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 正弦波波高值/三角波波高值比率 2/3 1/3 直流電圧比率 相電圧基本波波高値 0.5 相變調 線間變調 1.0 図3-12hip形狀線間變調信號波圖3-132相線間變調信號波180度通電方式（）電壓控制法表3-3改 PWM電壓控制方法的種類 項目 方式 例 説明 參考図 相變調 正弦波 輸出電壓為kH1.0為止的線形 （例）直流電圧270V 相波高値=270/=135V 線間電圧実効値=270/2(3/2)165V 図3-10 信號波的種類 線間變調 hip形狀 2相變調（損失減） 3n倍高調波注入電圧向上。 出力電圧H2/3線

13、形 （例）直流電圧270V 相波高値=270/(3)=155V 線間電圧実効値270/(3)(3/2)191V 図3-11 図3-12,13 非同步 Carrier頻率16kHz Carrier頻率一定。 信號波和carrier 頻率的關系 同步 pulse數 21,15,9 高速用途。周波數比例関係 図3-10 圖3-18 電機等價回路（非突極機）図3-19瞬時電壓，電流波形圖3-20瞬時波形的向量表現軸的電壓位相角度：軸的電流位相角度：相卷線軸的d軸角度：d相卷線軸的電壓位相角度：v電機電壓模式 （）電壓電流位相關系 （）回轉座標系的向量表現誘起電壓E0同步電感L卷線電阻r電機電壓vm電機

14、電流Im電機電壓Vu電機電流Iud060120300誘起電圧euo=-Euo sind磁束u=max cosdd，90度240180180電機電壓模式（）回轉座標系模式回轉系（直流量）電機印加電壓電機電流誘起電壓（回轉中交流）電阻電壓下降電感電壓下降固定座標系的實際世界永磁磁束回轉座標系回轉系（直流量）電機印加電壓電機電流誘起電壓電阻電壓下降電感電壓下降線圈鎖交電機印加電壓電機電流永磁磁束電阻電壓下降電感電壓下降全部為線圈鎖交固定系（回轉中的交流量）固定系（交流量）定義單獨控制磁束和電流。：電機扭矩磁束扭矩電流sin(磁束和電流的位相差)目的可以處理和扭矩成比例的電流量，實現線形控制。調整電流

15、位相，可以容易實現扭矩/電流比的最大控制。 方法電機電流、永磁扭矩的扭矩電流Iq成分（和磁束度的位相差）及改變磁束大小的勵磁電流Id成分（同磁束同位相）分離開進行處理?！練v史】過去：可變速電機（卷線界磁的）直流電機界磁卷線和電機子卷線 有2種。獨立控制扭矩中發(fā)生的磁束和電流。誘導電機：簡單構造、低慣性 但是，電機電流勵磁電流和扭矩電流的混合電流不能夠單獨進行控制。向量控制（Id0）永磁同步電機：利用永磁磁束+卷線磁束的兩個磁束（Id0）勵磁電流Id是依磁束（誘起電壓）為基準，調整電流位相。向量控制（）目標AC伺服等的高應答需要快速采樣處理參考図全部向量控制構成例向量控制（）一般方法一般式（過渡

16、狀態(tài)）一般式（定常狀態(tài)）低速運轉時高速運轉時向量控制（）難點是什么？干涉項【重點】高速運轉時Vd Iq 變化Vq Id 變化電機模導入控制（但參數會有誤差）【在模擬控制或高速采樣控制的時候】控制側：為了使Id一定，要調整Vd電機側：由于Vd變化，Iq也會變化控制側:由于Iq已變化，需要調整Vq電機側：由于Vq變化，Id也會變化（課題）在低速采樣時會怎樣？() 180度位置無傳感：位置變化利用什么？() 180度位置無傳感器：利用突極性的位置推定同步電感電氣角度180360LqLd問題點:通過電流，突極化（Lq/Ld）變化180度通電位置無傳感器法 (）利用什么？Id，ILdLq表3-8 可以利

17、用于位置推定的電感和誘起電壓 轉子構造 卷線構造 速度 位置變化 突極 非突極 集中巻 分布巻 停止 低速 中高速 重疊 信號 突極性 中 高 要 電感 磁気飽和 要 誘起電圧 不要 圖3-29實際回轉位置和假設回轉位置【特征】電機內部的磁極軸(d-q軸)和控制軸(dc-qc軸)的誤差角是通過電壓指令、電流、電機系數得來的。調整頻率使其達到和 （PLL手法）() 180度位置無感應器：位置推定法的考慮方法（日立方式）180度通電位置無感應法 (）中高速日立方式Vdc - rIdc + 1LqIqctan-1Vqc - rIqc - 1LqIdc中高速擴大誘起電壓方式原理：突極磁束含在永磁磁束中

18、，(擴大)計算誘起電壓，作為非突極型來。計算式 d dc q qc 控制軸 d 實際回轉位置 U相卷線固定軸 W相 V相 S N 假設回轉位置 dc 永磁磁束0 VDCPMSupSunSvpSvnSwpSwn電源INV主回路IwIuIDCPMSupSunSvpSvnSwpSwnIwIvIu(b) 三分流方式電源RDCPMSupSunSvpSvnSwpSwnIDC(c) 單分流方式電源利用保護INV用的分流電阻.電機電流檢測方法（）3種方式 INVNSSN同步電機檢測直流電流電阻MCU再現電機電流電機電流的檢測概念高價！不可在低速狀態(tài)下檢測(a) CT方式（hall CT，ACCT）不可在高電壓狀態(tài)下檢測.電機電流檢測法（）單分流電流檢測法電壓最大相和最小相的電機電流作為直流電流流動。和PWM信號同步，連續(xù)2次的AD轉換起動后進行檢測。 檢測電阻 （直流分流） ij ik ii IDCo