台达变频器永磁同步马达控制技术

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1、台达变频器永磁同步马达控制技术摘要：本文主要阐述台达变频器在永磁同步马达上的控制技术，此控制技术展现出在变频器矢量控制上的通用性，将同步马达驱动范畴再一次细化，符合市场的需求。Abstract:Inthispaper,thecontroltechniqueofPMSMinsideDeltainverterispresented.Thiscontroltechniquecandisplaythegeneralityofinvertervectorcontrol,whichcanfractionizethePMSMapplicationfieldsandaccordw

2、iththemarketrequirement.1、引言同步马达是与异步马达相对应的，异步马达表现为转子转速只与同步转速之间存在差异（即转差）才能产生有效的电磁转矩，其根本原因在于，异步马达采用单边励磁，即仅靠定子三相绕组通过三相交流电流产生定子旋转磁势和磁场，转子绕组则是通过与定子旋转磁场的相对切割而感应转子电势和电流的，并由转子感应电流产生转子旋转磁势和磁场。同步马达则不同，由于采用的是双边励磁，即不仅定子三相绕组通以三相交流电产生旋转磁势和磁场，而且转子绕组也因由直流励磁或永磁体产生磁势和磁场，从而要求转子转速必须与定子旋转磁场保持同步（转差为零），才能产生

3、有效的电磁转矩。同步马达的转子若采用永磁体则成为永磁同步马达（PMSM），PMSM具有功率密度高、转子转动惯量小、电枢电感小、运行效率高以及转轴上无滑环和电刷等优点，因而广泛应用于中小功率范围内（小于等于100KW）的高性能运动控制领域，如工业机器人、CNC数控机床等。目前，PMSM的数量和应用范围正呈迅速上升趋势。PMSM的种类繁多，按照其转子永磁体的结构分为表面式PMSM（SPM）与内置式PMSM（IPM），而按照定子绕组感应电势波形的不同，PMSM又可分为正弦波PMSM与无刷直流永磁电动机（BLDC）。本文介绍的控制技术均是在正弦波PMSM为对象的。2、PM

4、SM结构2.1SPM结构SPM定子绕组仍采用常规交流电机的三相分布式正弦绕组，旨在形成同步转速的定子旋转磁势和磁场；转子则通过环氧树脂将永磁体牢牢地粘接在转子铁心表面上。SPM结构如下图所示：图1SPM结构考虑到永磁材料的相对磁导率较低（近似大于等于1），永磁体又粘接在转子表面上，因此表面永磁同步马达的有效气隙较大。而且，由于气隙均匀，转子为隐极式结构，其d轴和q轴同步电抗几乎相等，于是有Ld=Lq=Ls。由此可见，SPM呈现隐极式同步电动机的特点。2.2IPM结构IPM定子绕组仍采用常规交流马达的三相正弦分布绕组，以形成同步速的定子旋转磁势和磁场，而转子则与SP

5、M有所不同，其永磁体被牢牢地嵌入在转子铁心内部。IPM如下图所示：图2IPM结构在IPM中，转子永磁体的结构和形状是经过专门设计的，以确保转子磁势和磁场空间呈正弦分布，与SPM相比，IPM结构较为复杂，运行可靠，可以在高速场合下运行，且IPM气隙较小，d轴和q轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，因而存在相当大的弱磁空间，但去磁电枢反应磁势不易过大，以免永磁退磁。1、PMSM控制方法3.1PMSM数学模型在ABC轴系中，定义定子电流空间矢量为：（3-1）图3中，取转子永磁体产生的励磁磁场的基波部分，于是为励磁空间矢量。同转子一道旋转，在ABC坐标中的相位决定于电角

6、度。于是可写出以ABC轴系表示的定子电压矢量方程。（3-2）式中，us为定子电压空间矢量，Rs为定子相电阻，Ls为等效同步电感。同感应马达不同的是，PMSM的气隙不一定是均匀的，由于永磁体内的磁导率接近空气，对于SPM转子而言，可以近似认为气隙是均匀的，而对于IPM转子结构来说，气隙是不均匀的，这样同步电感Ls就不是常数，这样就会给问题的分析带来很大的难度。为此常采取双轴理论来研究同步马达问题，对于PMSM来说也是如此，此时，去永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，顺着转子旋转方向超前d轴90度电角度为q轴，dq轴系以电角度随同转子一道旋转，它的空间坐标以d轴与A轴间的电

7、角度来确定。图3PMSM矢量关系图将式（3-2）变换为dq轴系坐标分量表示的电压方程，可得：（3-3）（3-4）dq轴系的磁链方程为：（3-5）（3-6）式中，；。这里，是dq线圈的漏感，和以及和分别是dq轴定子线圈的自感和励磁电感。可以将永磁体等效为一个励磁线圈，具有与d轴定子线圈相同的有效匝数，等效励磁电流为，能产生与永磁体相同的基波励磁磁场，因此可有如下关系：（3-7）于是定子磁链方程可为：（3-8）（3-9）将式（3-8）与（3-9）代入式（3-3）和（3-4），可得:（3-10）（3-11）在电动机运行中，若不计温度变化对永磁体供磁能力的影响，可认为是恒

8、定的，即是