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1、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
2、 （）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矢量矢量控制控制 （）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p3日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.3Hita
3、chi 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軸軸 磁束的磁束的 直交方向（中指）直交方向（中指） 軸軸 p4日立研究所05.11.22All Rights
4、 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-200-150-100-50050100150200-90090180270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 Nm2 ：1 扭矩(N)p5日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd
5、.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 p6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
6、2-8埋入磁铁的各种埋入方式p7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i磁束电流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：磁气饱和现象磁气饱和现象：在大电流情况下，在大电流情况下，L L变小。变小。p8日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.8Hitachi Moto
7、r 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同步步电电感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）同同步步电电感感 饱和现象p9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
8、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 p10日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.10Hitachi Motor DriveJ：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
9、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改变电机速度的方法（）（）重要重要的运动方程式的运动方程式p11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种控种控制系制系高応答用途电压控制位置速度电流（扭矩）Opening控制
10、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p12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
11、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永磁同步马达的基本特性（）（）两种扭矩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p13日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hit
12、achi.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，TorqueTorque R Rippleipple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最近的动向，效率噪音低减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
13、流 180 相诱起电压 重叠期间 u 0 120 d 60 300 240 电机电流 q(0)060120d诱起电压300240180p14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Patternp15日立
14、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 IuIvIW1cycle 发生6次重叠期间 eu0eveW2tu ut 重叠期间 EdV-U+(a)2相通电MODE EdW-U+V+環流電流 (b)3相通电MODE (重复期间)p16日立研究所05.1
15、1.22All 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度度通电方式通电方式（）（）电压控制法电压控制法可変PAMchopperPWM表3-2120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6
16、0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 p17日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.17Hitachi Motor Drive180180度度通电方式通电方式（）（）通电通电P Patternattern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） 相电机电流18
17、0 0 120 d30 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 p18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
18、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 vuvvvw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 p19日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.19Hitachi Motor D
19、rive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H2/3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
20、 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 p20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，电流波形图3-20瞬时波形的向量表现轴的电压位相角度：轴的电流位相角度：相卷线轴的d轴角度：d相卷线轴的电压位相角度：v电机电压模式电机电压模式 （）电压电流位相关系 （）回转座标系的向量表现诱起电
21、压E0同步电感L卷线电阻r电机电压 vm电机电流 Im电机电压 Vu电机电流Iud060120300誘起電圧 euo=-Euosind磁束u=maxcosdd，90 度240180180p21日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.21Hitachi Motor Drive电机电压模式电机电压模式（）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
22、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）p22日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.22Hitachi Motor Drive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)目的可以处理和扭矩成比例的电流量，实现线形控制。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】过去：可变速电机
23、（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。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（Id0）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p23日立研究所05.11.22All Rights Reserved Copyright 2005,Hitachi.Ltd.No.23Hitachi Motor DriveAC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p24日立研究
24、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向量控制（）（）难点是什么难点是什么？干涉项干涉项【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？p25日立研究所05.11.22All Ri
25、ghts 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同步步电电感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 p26日立研究所05.1
26、1.22All 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 ( (）中高速中高速日立方式日立方式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
27、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。计计算式算式 ddcqqc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0p27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
28、) 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p28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P
29、WM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） ijikiiI IDCDCoutout= =- -i ik k ijikiiI IDCDCinin=i=ii i ijikiiijikii【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
