永磁同步馬達(dá)研修資料中文課件

控制基板變頻器系統(tǒng)功率模塊控制技術(shù)控制裝置軟件技術(shù)（程序編制）功率裝置技術(shù)応用技術(shù)模塊技術(shù)回路技術(shù)加入軟件的MCU電機技術(shù)応用技術(shù)技術(shù)應(yīng)用（注）軟件（技術(shù)利用）＝電機控制技術(shù)（不是MCU軟件）１．扭矩發(fā)生原理（１）弗來明定律（２）轉(zhuǎn)子位置和扭矩的關(guān)系２．什么是永磁式同步電機?（１）構(gòu)造（２）表面磁鐵和埋入磁鐵（３）關(guān)于電感（４）兩種電感３．改變電機速度的方法（１）負(fù)載的種類（２）重要運動方程式（３）4種控制系４．永磁式同步電機的基本特性

（１）2種扭矩（２）2種通電方式５．120度通電方式（１）6種通電模式（２）重疊期間（３）電壓控制方法６．180度通電方式（１）通電模式（２）電壓控制方法７．電機電壓模式（１）電壓,電流位相關(guān)系（２）回轉(zhuǎn)座標(biāo)系的矢量表現(xiàn)（３）回轉(zhuǎn)座標(biāo)系模式Image８．矢量控制（１）目標(biāo)（２）一般方法（３）什么最難？＜干涉項＞９．180度通電位置無感應(yīng)方法(１）利用什么?(２）中高速日立方式１０.電機電流檢測方法（１）3種方式（２）oneshunt電流檢測方法目錄＜永磁磁鐵同步電機驅(qū)動的基礎(chǔ)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1－１弗來明左手定律

図１－２磁束與電流之間的關(guān)系磁阻扭矩１．扭矩發(fā)生原理（１）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

（ａ）線圈回轉(zhuǎn)

（ｂ）永磁回轉(zhuǎn)

永磁磁束

線圈磁束

S

N

（ｃ）鐵回轉(zhuǎn)

鐵的

磁束方向

線圈磁束

線圈磁束

S

N

磁束

電流

電流直交成分

（扭矩電流Iq）

θ

力的方向（大拇指）

磁束方向（食指）

d軸

磁束的

直交方向（中指）

ｑ軸

２．什么是永磁式同步電機？（１）構(gòu)造(a)分布卷定子和埋入式非突極轉(zhuǎn)子（鐵素體磁鐵）（ｂ）集中卷定子和埋入式突極轉(zhuǎn)子（釹磁鐵）付表１構(gòu)造分類圖片１馬達(dá)構(gòu)造轉(zhuǎn)子磁鐵位置

轉(zhuǎn)子磁鐵配置

定子卷線構(gòu)造

電機構(gòu)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２．什么是永磁式同步電機？（２）表面磁鐵和埋入磁鐵圖2-8埋入磁鐵的各種埋入方式２．什么是永磁式同步電機？？（３）關(guān)于電感什么是電感？＞表示磁束容易通過的量⊿i⊿φ磁束φ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(xiàn)象：在大電流情況下，L變小。３．改變電機速度的方法（１）負(fù)荷的種類圖１－３３種負(fù)荷【重點】知道了負(fù)載特性，才可以進(jìn)行最好的控制開發(fā)。

（ａ）ｎ次負(fù)荷

（ｂ）定輸出負(fù)荷

（ｃ）定扭矩負(fù)荷

風(fēng)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(zhuǎn)速度

回転速度

負(fù)荷扭矩

負(fù)荷扭矩

負(fù)荷扭矩

例１

例2

例１

例2

J：慣性【kg-m2】（一定or可變），ω：角速度【rad/s】（可檢測or不可檢測）τm：電機扭矩【N?m】（從電流處可以計算）τL：負(fù)荷扭矩【N?m】 <用什么來決定速度？><馬達(dá)扭矩怎樣改變？>※重要的運動方程式如果想改變和扭矩成比例的電流?改變電壓回轉(zhuǎn)數(shù)一定＝馬達(dá)扭矩和負(fù)荷扭矩相等[左邊][右邊]式（1-1）式（1-2）３．改變電機速度的方法（２）重要的運動方程式圖１－５從電壓控制到位置控制系的4種控制形態(tài)。３．改變電機速度的方法（３）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(diào)通用變頻器(高扭矩類型Ａ)速度為推定值通用變頻器(高扭矩類型Ｂ)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圖3-4INV和永磁同步電機圖3-5改1120度通電驅(qū)動時的電流波形圖3-8180度通電正弦波驅(qū)動的電流波形○120度通電方式：方形波驅(qū)動簡單的方法，TorqueRipple大○180度通電方式：正弦波驅(qū)動最近的動向，效率噪音低減４．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３相INV直流電源UVW永磁同步馬達(dá)NNSSU+V+W+U-V-W-

ｕ相電機電流

180

ｕ相誘起電壓

重疊期間u

0

120

θd

60

300

240

電機電流

φq(>0)

0

60

120

θd

誘起電壓

300

240

180

圖3-6改6種通電Pattern◎結(jié)合回轉(zhuǎn)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(jìn)行通電。５．120度通電方式（１）6種通電Pattern圖3-５改２120度通電Pattern圖2-4兩種通電MODE５．120度通電方式（２）重疊期間図3-５改２120度通電?????【重點】○TorqueRipple?1Cylce發(fā)生6次?還流電流如果chopperoff，Ripple會增大○最適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)流位相：重疊期間／２位相＝線間電壓0位相

θｄ

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(fù)期間)

６．180度通電方式（１）通電Pattern

參考圖例如任意位置的通電pattern◎結(jié)合回轉(zhuǎn)位置、變化誘起電壓（鎖交磁束進(jìn)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(guān)系（非突極機的情況下）

Ｕ相電機電流

180

0

120

θd

30

300

240

Ｕ相誘起電圧

Ｖ相誘起電圧

Ｖ相電機電流

Ｗ相電機電流

Ｗ相誘起電圧

Ｕ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?！倦妷旱?要素】◎波形：PulseWidthModulation正弦波?！虼笮。赫{(diào)整ｋH（=正弦波波高值／三角波波高值）◎位相：調(diào)整（例如向量控制）圖3-10PWM信號的基本作成方法（相變調(diào)）圖3-11ｋＨ和基本波電壓比率６．180度通電方式（２）電壓控制法１【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

vuｕ

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

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

ｋＨ

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(diào)

線間變調(diào)

1.0

図3-12hip形狀線間變調(diào)信號波圖3-13

2相線間變調(diào)信號波６．180度通電方式（２）電壓控制法２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(diào)

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=270/２=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(diào)

①hip形狀

②2相變調(diào)（損失減）

3n倍高調(diào)波注入して電圧向上。

出力電圧はｋHが2/√3まで線形

（例）直流電圧270Vでは

?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(guān)系

同步

pulse數(shù)

21,15,9

高速用途。周波數(shù)は比例関係

図3-10

７．電機電壓模式（３）回轉(zhuǎn)座標(biāo)系模式回轉(zhuǎn)系（直流量）○電機印加電壓○電機電流○誘起電壓（回轉(zhuǎn)中交流）○電阻電壓下降○電感電壓下降＜固定座標(biāo)系的實際世界＞永磁磁束＜回轉(zhuǎn)座標(biāo)系＞回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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＞①可以處理和扭矩成比例的電流量，實現(xiàn)線形控制。②調(diào)整電流位相，可以容易實現(xiàn)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９０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(jìn)行處理?！練v史】①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。②誘導(dǎo)電機：簡單構(gòu)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(jìn)行控制。?向量控制（Id>0）③永磁同步電機：利用永磁磁束+卷線磁束的兩個磁束（Id<0）勵磁電流Id是依磁束（誘起電壓）為基準(zhǔn)，調(diào)整電流位相。８．向量控制（１）目標(biāo)<<電流＆速度Feedback控制>>①AC伺服等的高應(yīng)答②需要快速采樣處理參考図全部向量控制構(gòu)成例８．向量控制（２）一般方法(１)180度位置無傳感：位置變化利用什么？(２)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９．180度通電位置無傳感器法(１）利用什么？Id，IｑLdLq表3-8

可以利用于位置推定的電感和誘起電壓

轉(zhuǎn)子構(gòu)造

卷線構(gòu)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(zhuǎn)位置和假設(shè)回轉(zhuǎn)位置【特征】①電機內(nèi)部的磁極軸(d-q軸)和控制軸(dc-qc軸)的誤差角Δθ是通過電壓指令、電流、電機系數(shù)得來的。②調(diào)整頻率使其達(dá)到Δθ和０（PLL手法）(３)180度位置無感應(yīng)器：位置推定法的考慮方法（日立方式）９