永磁同步马达研修资料中文

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）扭矩发生原理扭矩发生原理（）弗来明定律（）转子位置和扭矩的关系什么是永磁式同步电机什么是永磁式同步电机?（）构造（）表面磁铁和埋入磁铁（）关于电感（）两种电感改变电机速度的方法改变电机速度的方法（）负载的种类（）重要运动方程式（）4种控制系永磁式同步电机的基本特性永磁式同步电机的基本特性 （）2种扭矩（）2种通电方式120120度通电方式度通电方式（）6种通电模式（）重叠期间（）电压控制方法180180度通电方式度通电方式（）通电模式（）电压控制方法电机电压模式电机电压模式（）电压,电流位相关系（）回转座标系的矢量表现（）回转座标系模式Image矢量控制矢量控制（）目标（）一般方法（）什么最难？干涉项180180度通电位置无感应方法度通电位置无感应方法 (）利用什么?(）中高速日立方式.电机电流检测方法电机电流检测方法（）3种方式（）one shunt电流检测方法目 录永磁磁铁同步电机驱动的基础知识 p p3 3日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.3Hitachi Motor Drive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弗来明左手定律 図磁束与电流之间的关系 磁阻扭矩磁阻扭矩扭矩发生原理扭矩发生原理（）弗来明定律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（）线圈回转（）永磁回转 永磁磁束 线圈磁束 S N （）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）力的方向（大拇指）力的方向（大拇指）磁束方向（食指）磁束方向（食指）d d 軸軸 磁束的磁束的 直交方向（中指）直交方向（中指）軸軸 p p4 4日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.4Hitachi Motor Drive图2-16 磁阻扭矩与磁铁扭矩永磁磁束线圈磁束SN扭矩发生原理（扭矩发生原理（）转子位置与扭矩关系（图2-16的横轴角度方向）【重点】合理利用两种扭矩(控制电流位相)，使电流最小。0度-200-150-100-50 0 50 100 150 200-90 0 90 180 270 角度()总扭矩 磁铁扭矩 磁阻扭矩 30 磁铁扭矩：磁阻扭矩 100 Nm：50 Nm 2：1 扭矩 (N)p p5 5日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.5Hitachi Motor Drive什么是永磁式同步电机？什么是永磁式同步电机？（）构造构造(a)分布卷定子和埋入式非突极转子（铁素体磁铁）（）集中卷定子和埋入式突极转子（钕磁铁）付表构造分类图片马达构造 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 p p6 6日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.6Hitachi Motor Drive表2-2表面磁铁与埋入磁铁的形状比较什么是永磁式同步电机什么是永磁式同步电机？（）表面磁铁和埋入磁铁？（）表面磁铁和埋入磁铁图2-8埋入磁铁的各种埋入方式 p p7 7日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.7Hitachi Motor Drive什么是永磁式同步电机？什么是永磁式同步电机？（）关于电感？（）关于电感什么是电感？表示磁束容易通过的量dtdiLdtdididdtdvL didi磁束电流i什么是3相线圈同步电感？dtdi32cosMdtdi32cosMdtdiLvwWUvUVuUU_L 32tsinIi,32tsinIi,tsinIiMMM,MLLLMwMvMuWUVWUVWVUtcosIM2332tcos32tcos32cosIMtcosIMvMMMU_L 磁束泄露交锁磁束计算公式如下：M23磁气饱和现象：在大电流情况下，磁气饱和现象：在大电流情况下，L L变小。变小。p p8 8日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.8Hitachi Motor Drive什么是永磁同步马达什么是永磁同步马达（）两种电感（）两种电感同步电感同步电感电气角度电气角度180360LqLd难控制点：电流不同,L会变化Id，ILdLq参考图 突极性电感的变化例图(a)根据位置而变化(b)根据电流而变化SN磁束量 多(大)9090SN磁束量少(小)【重点】控制L的同时，也会受到其它控制。（特是在无位置传感器的情况下）同步电感同步电感 饱和现象 p p9 9日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.9Hitachi Motor Drive改变电机速度的方法改变电机速度的方法（）负荷的种类（）负荷的种类图种负荷【重点】知道了负载特性，才可以进行最好的控制开发。（）次负荷（）定输出负荷（）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 例2 例 例2 p p1010日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.10Hitachi Motor DriveLmdtdJdtJLm1J：慣性【kg-m2】（一定or可变），：角速度【rad/s】（可检测or不可检测）m：电机扭矩【Nm】（从电流处可以计算）L：负荷扭矩【Nm】重要的运动方程式如果想改变和扭矩成比例的电流如果想改变和扭矩成比例的电流改变电压改变电压回转数一定马达扭矩和负荷扭矩相等回转数一定马达扭矩和负荷扭矩相等左边右边式（式（1-11-1）式（式（1-21-2）改变电机速度的方法（）重要的运动方程式改变电机速度的方法（）重要的运动方程式 p p1111日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.11Hitachi Motor Drive图从电压控制到位置控制系的4种控制形态。改变电机速度的方法（）改变电机速度的方法（）4 4种控制系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)速度为推定值通用变频器(高扭矩类型)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 p p1212日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.12Hitachi Motor Drive无位置检测运转的扭矩特性无位置检测运转的扭矩特性有位置检测动转的扭矩有位置检测动转的扭矩速度一定根据其负荷，电流位相会发生变化（其位相根据印加电压而变化）同直流电机相同特性负荷增加（减少）速度低（高）诱起电压下降（增加）和电源的电压差增加（减少）扭矩电流增加（减少）扭矩增加（减少）图3-2无位置检测驱动的扭矩特性图图3-3有位置检测驱动的扭矩特性图sin(sin(磁束和电流位相差磁束和电流位相差dd）；固定）；固定sin(sin(磁束和电流的位相差磁束和电流的位相差dd）；变化）；变化永磁同步马达的基本特性（）两种扭矩特性永磁同步马达的基本特性（）两种扭矩特性电源电压Vm大负荷扭矩电机扭矩速度频率f 大负荷扭矩电机扭矩速度电源电压Vm 大小大 p p1313日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.13Hitachi Motor Drive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120120度通电方式度通电方式：方形波驱动：方形波驱动简单的方法，简单的方法，Torque RippleTorque Ripple大大180180度通电方式度通电方式：正弦波驱动：正弦波驱动最近的动向，效率噪音低减最近的动向，效率噪音低减永磁同步电机的基本特性（永磁同步电机的基本特性（2 2）两种通电方式）两种通电方式 诱起电压为台形波状诱起电压为正弦波状相 INV直流电源UVW永磁同步马达NNSSU+V+W+U-V-W-相电机电流 180 相诱起电压 重叠期间 u 0 120 d 60 300 240 电机电流 q(0)0 60 120 d 诱起电压 300 240 180 p p1414日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.14Hitachi Motor Drive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。线和最小相的卷线进行通电。120120度度通电方式通电方式（）6种通电Pattern图3-改120度通电PatternUWVUWVUWVUWVUWVUWV通電 回転子位置範囲 磁束方向通電 通電 通電 通電 通電 150度 210度210度 270度330度 30度270度 330度30度 90度90度 150度 p p1515日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.15Hitachi Motor Drive图2-4两种通电MODE120度通电方式（）重叠期间図3-改120度通電【重点】Torque Ripple 1Cylce发生6次 还流电流如果chopper off，Ripple会增大最适当的转流位相：重叠期间位相线间电压0位相 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)p p1616日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.16Hitachi Motor Drive图3-9度通电等价回路直流电源和电机卷线间有两个开关直流电源和电机卷线间有两个开关直流电压可变；控制任何一个开关chopper动作；控制 120120度度通电方式（）电压控制法通电方式（）电压控制法可変PAMchopperPWM表3-2 120度通电的各种PWM控制方法 Chopper领域 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 p p1717日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.17Hitachi Motor Drive180180度度通电方式（）通电通电方式（）通电PatternPattern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（锁交磁束进行结合回转位置、变化诱起电压（锁交磁束进行9090度），同位相（非突度），同位相（非突 极机）的正弦波电流流出。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）UWV 磁束方向d=270度回転子位置UWVd=300度d=330度UWVd=0度UWVd=30度UWVd=60度UWVd=90度UWVd=120度UWVd=150度UWVd=180度UWVd=210度UWVd=240度UWV回転子位置 磁束方向 相电机电流 180 0 120 d 30 300 240 相誘起電圧 相誘起電圧 相电机电流 相电机电流 相誘起電圧 相线卷锁交磁束 330 270 210 60 90 150 p p1818日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.18Hitachi Motor Drive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：Pulse Width Modulation 正弦波。大小：调整H（=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3-11 和基本波电压比率180180度度通电方式通电方式（）电压控制法【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 vu 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 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 p p1919日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.19Hitachi Motor Drive図3-12hip形状线间变调信号波图3-132相线间变调信号波180180度度通电方式通电方式（）电压控制法-1.00.01.0-90090180270-1.00.01.0-90090180270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/=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 hip形状 2 相变调（损失减）3n 倍高調波注入電圧向上。出力電圧H 2/3 線形（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。周波数比例関係 図 3-10 p p2020日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.20Hitachi Motor Drive图3-18 电机等价回路（非突极机）図3-19瞬时电压，电流波形d 軸q 軸dU 相巻線固定軸VmImV Vq qV Vd dE0I Id dI Iq qW 相V 相1v=d+/2(0）永磁同步电机：利用永磁磁束+卷线磁束的两个磁束（Id0）励磁电流Id是依磁束（诱起电压）为基准，调整电流位相。向量控制（）目标 p p2323日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.23Hitachi Motor Drive 1*Iq Id*Id Vq*+-+励磁電流制御系（検出値）速度指令 電圧指令 検出速度（又推定速度）Iq*Vd*+-*1*E*q*d*d*1*q*q*q*1*d*dkrIILvILIrv 比例積分補償 比例 積分補償 比例積分補償 AC伺服等的高应答需要快速采样处理参考図全部向量控制构成例向量控制向量控制（）一般方法一般方法 p p2424日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.24Hitachi Motor Drive一般式（过渡状态）一般式（定常状态）低速运转时高速运转时向量控制（）难点是什么？干涉项向量控制（）难点是什么？干涉项1Eqdd1qqq1ddkIrILvILIrvqqddIrvIrv1Edd1qqq1dkILvILv1Eqdqd1q1dqdk0IIpLrLLpLrvv【重点】高速运转时Vd Iq 变化Vq Id 变化电机模导入控制（但参数会有误差）【在模拟控制或高速采样控制的时候】控制侧：为了使Id一定，要调整Vd电机侧：由于Vd变化，Iq也会变化控制侧:由于Iq已变化，需要调整Vq电机侧：由于Vq变化，Id也会变化（课题）在低速采样时会怎样？p p2525日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.25Hitachi Motor Drive()180度位置无传感：位置变化利用什么？()180度位置无传感器：利用突极性的位置推定同步电感同步电感电气角度电气角度180360LqLd问题点:通过电流，突极化（Lq/Ld）变化180180度度通电位置无传感器法通电位置无传感器法 (）利用什么？）利用什么？Id，ILdLq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 要要 誘起電圧 不要 p p2626日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.26Hitachi Motor Drive图3-29实际回转位置和假设回转位置【特征】电机内部的磁极轴(d-q轴)和控制轴(dc-qc轴)的误差角是通过电压指令、电流、电机系数得来的。调整频率使其达到和（PLL手法）()180度位置无感应器：位置推定法的考虑方法（日立方式）180180度度通电位置无感应法通电位置无感应法 (）中高速日立方式）中高速日立方式Vdc-rIdc+1LqIqctantan-1-1Vqc-rIqc-1L Lq qIdc中中 高速高速扩大诱起电压方式扩大诱起电压方式原理：突极磁束含在永磁磁束中，(扩大)计算诱起电压，作为非突极型来。计算式计算式 d dc q qc 控制轴 d 实际回转位置实际回转位置 U 相卷线固定轴 W相 V相 S N 假设回转位置假设回转位置 dc 永磁磁束0 p p2727日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.27Hitachi Motor DriveVDCPMSupSunSvpSvnSwpSwn电源INV主回路IwIuIDCPMSupSunSvpSvnSwpSwnIwIvIu(b)三分流方式电源RDCPMSupSunSvpSvnSwpSwnIDC(c)(c)单分流方式单分流方式电源利用保护INV用的分流电阻.电机电流检测方法（）电机电流检测方法（）3 3种方式种方式 INVNSSN同步电机检测直流电流电阻MCUMCU再现电机电流再现电机电流电机电流的检测概念高价！不可在低速状态下检测(a)CT方式（hall CT，ACCT）不可在高电压状态下检测 p p2828日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.28Hitachi Motor Drive.电机电流检测法（）电机电流检测法（）单分流电流检测法单分流电流检测法电压最大相和最小相的电机电流作为直流电流流动。和PWM信号同步，连续2次的AD转换起动后进行检测。检测电阻（直流分流）ij ik ii I IDCDCoutout=-i ik k ij ik ii I IDCDCinin=i=ii i ij ik ii ij ik ii【i,j,k】=【1,1,1】:谷領域【i,j,k】=【1,1,0】【i,j,k】=【1,0,0】【i,j,k】=【0,0,0】:carrier山領域【i=電圧最大相,j中間相,k=最小相】直流电流是电压最小相电流的逆极性 ,carrier周期的通电模式 PWM输出电压和直流电流、电机电流的关系 電圧最大相出力電圧中間相出力電圧最小相出力直流電流 IDC電圧最小相電流IDCout電圧最大相電流IDCin信号电压最大相电平电压中间相电平电压最小相电平周期tWtW電流検出点電流検出点