永磁同步马达研修资料中文课件

控制基板变频器系统功率模块控制技术控制装置软件技术（程序编制）功率装置技术応用技術模块技术回路技术加入软件的MCU电机技术応用技術技术应用（注）软件（技术利用）＝电机控制技术（不是MCU软件）１．扭矩发生原理（１）弗来明定律（２）转子位置和扭矩的关系２．什么是永磁式同步电机?（１）构造（２）表面磁铁和埋入磁铁（３）关于电感（４）两种电感３．改变电机速度的方法（１）负载的种类（２）重要运动方程式（３）4种控制系４．永磁式同步电机的基本特性

（１）2种扭矩（２）2种通电方式５．120度通电方式（１）6种通电模式（２）重叠期间（３）电压控制方法６．180度通电方式（１）通电模式（２）电压控制方法７．电机电压模式（１）电压,电流位相关系（２）回转座标系的矢量表现（３）回转座标系模式Image８．矢量控制（１）目标（２）一般方法（３）什么最难？＜干涉项＞９．180度通电位置无感应方法(１）利用什么?(２）中高速日立方式１０.电机电流检测方法（１）3种方式（２）oneshunt电流检测方法目录＜永磁磁铁同步电机驱动的基础知识＞扭矩＝磁束×电流×sin(电流与磁束之间的角度）＝磁束×（电流与磁束之间的直交成分）图1－１弗来明左手定律

図１－２磁束与电流之间的关系磁阻扭矩１．扭矩发生原理（１）弗来明定律永磁式同步电机发生扭矩（励磁電流Id）电流

磁束

（ａ）线圈回转

（ｂ）永磁回转

永磁磁束

线圈磁束

S

N

（ｃ）铁回转

铁的

磁束方向

线圈磁束

线圈磁束

S

N

磁束

电流

电流直交成分

（扭矩电流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电机？（１）构造(a)分布卷定子和埋入式非突极转子（铁素体磁铁）（ｂ）集中卷定子和埋入式突极转子（钕磁铁）付表１构造分类图片１马达构造转子磁铁位置

转子磁铁配置

定子卷线构造

电机构造

表面型

埋入型

非突极型

突极型

分布卷

集中卷

表2-2表面磁铁与埋入磁铁的形状比较２．什么是永磁式同步电机？（２）表面磁铁和埋入磁铁图2-8埋入磁铁的各种埋入方式２．什么是永磁式同步电机？？（３）关于电感什么是电感？＞表示磁束容易通过的量⊿i⊿φ磁束φ电流i＜什么是3相线圈同步电感？＞磁束泄露交锁磁束计算公式如下：磁气饱和现象：在大电流情况下，L变小。３．改变电机速度的方法（１）负荷的种类图１－３３种负荷【重点】知道了负载特性，才可以进行最好的控制开发。

（ａ）ｎ次负荷

（ｂ）定输出负荷

（ｃ）定扭矩负荷

风机，热水泵等

真空热水泵，

车,搬运等起动时

冷媒压缩机等

回転速度

回转速度

回転速度

负荷扭矩

负荷扭矩

负荷扭矩

例１

例2

例１

例2

J：慣性【kg-m2】（一定or可变），ω：角速度【rad/s】（可检测or不可检测）τm：电机扭矩【N・m】（从电流处可以计算）τL：负荷扭矩【N・m】 <用什么来决定速度？><马达扭矩怎样改变？>※重要的运动方程式如果想改变和扭矩成比例的电流⇒改变电压回转数一定＝马达扭矩和负荷扭矩相等[左边][右边]式（1-1）式（1-2）３．改变电机速度的方法（２）重要的运动方程式图１－５从电压控制到位置控制系的4种控制形态。３．改变电机速度的方法（３）4种控制系高応答用途电压控制位置速度电流（扭矩）Opening控制cleaner通用变频器(低扭矩类型)空调通用变频器(高扭矩类型Ａ)速度为推定值通用变频器(高扭矩类型Ｂ)速度为推定值伺服电机电压电压控制速度控制位置控制电流控制计算速度计算位置位置信号检测电流电压控制速度控制计算速度电压控制速度控制电流控制计算速度检测电流速度信号图3-4INV和永磁同步电机图3-5改1120度通电驱动时的电流波形图3-8180度通电正弦波驱动的电流波形○120度通电方式：方形波驱动简单的方法，TorqueRipple大○180度通电方式：正弦波驱动最近的动向，效率噪音低减４．永磁同步电机的基本特性（2）两种通电方式诱起电压为台形波状诱起电压为正弦波状３相INV直流电源UVW永磁同步马达NNSSU+V+W+U-V-W-

ｕ相电机电流

180

ｕ相诱起电压

重叠期间u

0

120

θd

60

300

240

电机电流

φq(>0)

0

60

120

θd

诱起电压

300

240

180

图3-6改6种通电Pattern◎结合回转位置及变化的诱起电压，诱起电压选择最大相的卷线和最小相的卷线进行通电。５．120度通电方式（１）6种通电Pattern图3-５改２120度通电Pattern图2-4两种通电MODE５．120度通电方式（２）重叠期间図3-５改２120度通電ﾊﾟﾀｰﾝ【重点】○TorqueRipple・1Cylce发生6次・还流电流如果chopperoff，Ripple会增大○最适当的转流位相：重叠期间／２位相＝线间电压0位相

θｄ

Iu

Iv

IW

1cycle发生6次重叠期间

eu

0

ev

eW

2tu

ut

重叠期间

Ed

V-

U+

(a)2相通电MODE

Ed

W-

U+

V+

環流電流

(b)3相通电MODE

(重复期间)

６．180度通电方式（１）通电Pattern

参考图例如任意位置的通电pattern◎结合回转位置、变化诱起电压（锁交磁束进行90度），同位相（非突极机）的正弦波电流流出。参考图诱起电压和电机电流的关系（非突极机的情况下）

Ｕ相电机电流

180

0

120

θd

30

300

240

Ｕ相誘起電圧

Ｖ相誘起電圧

Ｖ相电机电流

Ｗ相电机电流

Ｗ相誘起電圧

Ｕ相线卷锁交磁束

330

270

210

60

90

150

决定电机电流的波形、大小、位相的3要素。【电压的3要素】◎波形：PulseWidthModulation正弦波。◎大小：调整ｋH（=正弦波波高值／三角波波高值）◎位相：调整（例如向量控制）图3-10PWM信号的基本作成方法（相变调）图3-11ｋＨ和基本波电压比率６．180度通电方式（２）电压控制法１【重点】＜电机电流为正弦波＞电机诱起电压为正弦波＆INV输出电压为正弦波载波信号

信号波

vuｕ

vv

vw

原信号

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

相变调

线间变调

1.0

図3-12hip形状线间变调信号波图3-13

2相线间变调信号波６．180度通电方式（２）电压控制法２表3-3改

PWM电压控制方法的种类

项目

方式

例

説明

参考図

相变调

正弦波

输出电压为kH1.0为止的线形

（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

信号波的种类

线间变调

①hip形状

②2相变调（损失减）

3n倍高調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频率16kHz

Carrier频率一定。

－

信号波和carrier

频率的关系

同步

pulse数

21,15,9

高速用途。周波数は比例関係

図3-10

７．电机电压模式（３）回转座标系模式回转系（直流量）○电机印加电压○电机电流○诱起电压（回转中交流）○电阻电压下降○电感电压下降＜固定座标系的实际世界＞永磁磁束＜回转座标系＞回转系（直流量）○电机印加电压○电机电流○诱起电压○电阻电压下降○电感电压下降＜线圈锁交＞○电机印加电压○电机电流○永磁磁束○电阻电压下降○电感电压下降＜全部为线圈锁交＞固定系（回转中的交流量）固定系（交流量）＜定义＞单独控制磁束和电流。：电机扭矩＝磁束×扭矩电流×sin(磁束和电流的位相差)＜目的＞①可以处理和扭矩成比例的电流量，实现线形控制。②调整电流位相，可以容易实现扭矩/电流比的最大控制。＜方法＞电机电流、永磁扭矩的扭矩电流Iq成分（和磁束９０度的位相差）及改变磁束大小的

励磁電流Id成分（同磁束同位相）分离开进行处理。【历史】①过去：可变速电机＝（卷线界磁的）直流电机・界磁卷线和电机子卷线有2种。・独立控制扭矩中发生的磁束和电流。②诱导电机：简单构造、低惯性但是，电机电流＝励磁电流和扭矩电流的混合电流不能够单独进行控制。⇒向量控制（Id>0）③永磁同步电机：利用永磁磁束+卷线磁束的两个磁束（Id<0）励磁电流Id是依磁束（诱起电压）为基准，调整电流位相。８．向量控制（１）目标<<电流＆速度Feedback控制>>①AC伺服等的高应答②需要快速采样处理参考図全部向量控制构成例８．向量控制（２）一般方法(１)180度位置无传感：位置变化利用什么？(２)180度位置无传感器：利用突极性的位置推定同步电感电气角度180360LqLd问题点:通过电流，突极化（Lq/Ld）变化９．180度通电位置无传感器法(１）利用什么？Id，IｑLdLq表3-8

可以利用于位置推定的电感和诱起电压

转子构造

卷线构造

速度

位置变化

突極

非突極

集中巻

分布巻

停止

低速

中高速

重叠

信号

突極性

○

×

×

○

○

○

中△

高×

要

电感

磁気飽和

○

○

○

○

○

×

×

要

誘起電圧

○

○

○

○

×

×

○

不要

图3-29实际回转位置和假设回转位置【特征】①电机内部的磁极轴(d-q轴)和控制轴(dc-qc轴)的误差角Δθ是通过电压指令、电流、电机系数得来的。②调整频率使其达到Δθ和０（PLL手法）(３)180度位置无感应器：位置推定法的考虑方法（日立方式）９