Abstract: In this paper, the principle, structure and mathematical model of permanent magnet synchronous motor are introduced. At the same time, the model and control mechanism of Schneider frequency converter control permanent magnet synchronous motor are expounded, and the new generation of Schneider Altivar Machine ATV340 is given as an example. This paper discusses the principle and practice of the permanent magnet synchronous motor driven by open-loop and closed-loop motor control respectively, and makes an objective evaluation of the actual effect of Schneider inverter control synchronous motor, the sharing of practice notes and the comparison of performance between old and new products.

Key words: Permanent magnet synchronous motor; Frequency converter; Closed loop control; Open loop control

【中图分类号】TN773 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330 （2018）01-0000-00

1 引言

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。同步电机按照定子绕组感应电势的不同，可以分为正弦波永磁同步电机（PMSM）和梯形波永磁同步电机（BLDC）。本文描述的对象主要是正弦波永磁同步电机。

永磁同步电机相比异步电机具有很多优势。首先，效率高。永磁同步的电机的转子磁场由事先充磁的永久磁体产生，所以永磁同步电机的转子没有绕组，就没有了转子铜耗，永磁同步电机的功率因数和定子电流也相对较小，再加上同等功率的永磁同步电机需要的冷却风扇消耗的功率也小，所以其总体损耗比异步电机大大降低，因而效率大大提高。其次，功率密度高。由于其转子是由高磁力的永久磁体构成，磁通密度高，其结构简单，体积紧凑。所以永磁同步电机相对同功率的异步电机尺寸要小，尺寸和重量大约减少了一半。这样就使得永磁同步电机所需要的安装空间大大减少，从而可以降低整体设备尺寸。最后，转矩惯量比高。由于其转子体积小，惯量低，所以由永磁同步电机配以高分辨率编码器的永磁同步电机的转矩惯量比非常高，这样使得其动态响应性能优异，特别适用于需要快速起停、往返运动的高速机械，在包装、印刷、物料加工等设备中获得广泛的应用。永磁同步电机如图1所示。图1（a）为结构图，（b）为实物图。

综合起来，永磁同步电机属于低碳环保节能型电机，符合绿色节能环保潮流的需要，是未来新能源发展方向的趋势。除将永磁同步电机作为伺服电机使用外，许多设备和装备，如电梯、注塑机、抽油机、数控机床的电主轴等已经将永磁同步电机大规模推广，压缩机、风机、水泵、挤出机等等也在对中大功率的永磁同步电机逐渐推广，所以永磁同步电机的生产厂家呈现爆发式增加，而驱动永磁同步电机的变频器和伺服驱动器也获得了迅猛的发展。

当然，永磁同步电机受永久磁体去磁约束，抗震能力差，高转矩受限制。特别是受稀土永磁材料成本因素的影响，目前其价格相对异步电机高出许多，对中大功率永磁同步电机的推广造成一定的影响。

2  永磁同步电机的结构类型

按照永磁体在转子上的安装位置的不同，永磁同步电机从结构上分为三类：插入式、贴片式、内嵌入或埋入式。

2.1  转子内嵌或埋入磁体式（IPMSM）

同步电机定义了两个同步电抗（电感）：

Ld：d轴（或称直轴）电感

Lq：q轴（或称交轴）电感。

磁极内嵌或埋入式转子结构中将产生明显的凸极性，也就是说，定子沿两个轴向的电感有显著的差别。对这类电机，通常情况下，Lq>Ld。内嵌或埋入磁体式转子截面示意图如图2所示。

2.2  转子贴片磁体式(SPMPM)

磁体被贴在圆柱形转子的表面。磁体可以是预制形状的片状，或者有更小的贴片构成。这种设计的特点是高速时刚性稍差，但是寄生的脉动转矩分量较小。采用这种结构的转子，凸极性接近于零，磁体产生的磁场跟在空气中产生的一样，所以从定子看是一个平滑的转子，结果是Ld=Lq。贴片磁体式转子截面示意图如图3所示。

2.3 插入磁体式转子（SMPM）

插入磁体式转子SMPM的截面示意图如图4所示。这种转子的磁体插入转子的槽中。这种设计使得磁体的安装更加简单和坚固。这种情形从几何上看有一定的凸极性，但是比较弱。例如在图4（a）中，由于转子齿的存在，使得Lq略微有些增加。所以这类电机的特征与SPMSM类似，Ld≈Lq。

3 永磁同步电机的控制策略

永磁同步电机本身没有起动转矩，所以在转子磁极上装了起动绕组，当同步电机定子绕组接到电源上时，由起动绕组的作用产生起动转矩，使电机能自起动。由于永磁同步电机没有辅助异步起动绕组，均需要由变频器或伺服驱动器来控制辅助异步起动绕组。

施耐德变频器ATV340控制永磁同步电机的策略有下面几种：

3.1  带有编码器反馈的闭环矢量控制（同步电机闭环FSY）

永磁同步电机闭环矢量控制原理框图如图5所示。这里，电机轴端安装了编码器（Encoder）或者旋转变压器（即分解器Resolver）。编码器可以是绝对型编码器或者增量型编码器，其作用有两个：一方面用来测量电机的实时转速，参与到速度环控制，从而实现速度闭环控制；另一方面用来获得电机转子磁极的位置，参与到电流环控制，从而使得定子旋转磁场的位置与转子磁极磁场的位置实时正交。这样变频器的直轴电流Id基本为零，由交轴电流Iq与气隙磁场产生需要的力矩T。通俗地说，以最小的电流产生最大的转矩。在理想情况下，电机转矩与交轴电流或近似的与电机电流成正比，其比例称为转矩电流比，是永磁同步电机的一个重要的性能指标。

可以看到，闭环矢量控制时，永磁同步电机具有非常好的低速特性，在零速时能够提供很大的静止力矩来平衡负载转矩。所以这种控制模式被广泛应用于永磁同步伺服电机、注塑机、电梯曳引机、拉丝机、电主轴等等。

永磁同步电机闭环矢量控制要求电机轴上安装编码器或旋转变压器，需要专用的驱动器，而驱动器也需要相应的编码器或旋转变压器的接口，所以其成本相对比较高，但是控制精度高，电机的实时响应高。

3.2  不带编码器反馈的开环矢量控制（同步电机SYN）

对于有些对调速范围、速度精度、动态响应、低速力矩没有太多要求的场合，比如负载为风机、泵、螺杆式空压机等等，可以在电机轴上不安装编码器，采取开环矢量控制方式。永磁同步电机开环矢量控制时，变频器不能直接准确获得电机的实际转速和转子磁极的位置。这些信息只能通过给定频率和电流结合电机的数学模型进行估算，所以控制效果包括速度精度、调速范围和动态响应特性与闭环矢量控制相比有一定差距。根据变频器建模算法的不同，不同厂家和不同系列的变频器控制效果相差很大，尤其是这种控制方式的低速性能比较差，更不能提供零速转矩输出性能。所以不能用于提升类负载的应用，或者需要低速大转矩重载起动的场合。

但是由于不需要在电机轴上安装编码器，变频器也不用专有的系列或者配置专用的编码器卡，对于一些要求相对较低，但是看重永磁同步电机本身优势的应用，在某些行业的应用上开环矢量控制有它的优势所在。永磁同步电机开环矢量控制原理框图如图7所示。

3.3  不带速度环调节的基于压频比开环控制（同步电机SYN_U）

压频比开环控制同步电机的模型最简单，这种控制方式不带速度调节，是基于压频比的标准控制，可用于内嵌安装磁体（IPM）或者表面安装磁体（SPM）电机。由于其控制方式的特性，其控制效果尤其是动态响应性能比较差，在负载突然变化时容易引起失步。永磁同步电机开环V/F控制原理框图如图8所示。

4 ATV340变频器对永磁同步电机闭环矢量控制

4.1 变频器硬件配置

ATV340变频器功率范围从0.75kW-75kW以重载作为标准选型，额定电源电压为380/480V。其中ATV340又细分为模块化型和以太网型两类变频器，其中模块化型功率为0.75kW-22kW重载，以太网型功率为0.75kW-75kW重载。

4.2  编码器硬件配置和支持的协议

ATV340变频器重载22kW以下集成内置编码器卡，内置编码器卡支持A/B/I增量式RS-422信号和1Vpp的正/余弦信号。除内置编码器卡外，ATV340可以选配其他编码器卡，其支持的协议为：

（1）通用脉冲输出型增量型编码器，包括差分输出兼容RS-422、SSI以及EnDat 2.2；

（2）旋转变压器，亦称分解器；

（3）SinCos, SinCosHiperface信号的编码器。

编码器与旋转变压器如图9所示。

其中第一类脉冲输出型增量编码器由于其不能在变频器内存中记录编码器与磁极的相对位置，所以要求变频器每一次上电或起动时都需要学习偏移角。SinCos，SinCos Hiperface 编码器/旋转变压器的输出信号能够反映实际转角绝对位置而且能够断电保持于变频器内存。此外，旋转变压器可以适用于环境条件非常恶劣的场合，但分辨率较低。

4.3 调试步骤

4.3.1 设置编码器的类型和规格

在编码器菜单中，根据实际配置设置编码器类型，设置脉冲数[PGI]为每转脉冲数，编码器电源电压。对于脉冲输出的增量型编码器，根据实际配置设置编码器类型，设置脉冲数[PGI]；对于旋转变压器，根据实际配置设置旋变激励频率[FRES]，旋变极数[RPPN]；对于正余弦信 号输出的编码器，根据实际配置设置编码器协议[UECP]、编码器电源电压[UECU]等参数。

4.3.2 输入电机铭牌参数

在电机控制菜单中的同步电机子菜单中，按照电机铭牌数据设置基本的同步电机参数，同步电机额定电流[NCRS]，同步电机额定速度[NSPS]，同步电机极对数[PPNS]，同步电机电动势[PHS]。

输入电机基本参数后，在变频器处于RDY状态下，在电机控制[DRC-]菜单中，设置自整定[tUn]为请求自整定[YES]，启动自整定，变频器会自动获得同步电机直轴电感[LdS]、同步电机交轴电感[LqS]、同步电机定子电阻[RSAS]电机模型参数。

在设备条件允许运行的情况下，在电机控制菜单中，设置电机控制模式[CTT]为同步电机[SYn]，然后执行编码器检查，步骤如下：

（1）在编码器设置[IEN-]子菜单中，设置编码器用途（ENU）为无[NO]。

（2）起动电机并改变频率，在监视[SUP-]菜单中，观察对比电机输出频率[RFR]和测量的输出频率[MMF]大小、符号是否一致。

（3）如果符号不一致，应通过下面的方法之一来调整：

尝试改变编码器的接线； 或者改变变频器电机输出相序的接线；或者改变电机控制 菜单中的输出相序[PHR]的设置；或者在编码器设置菜单中，改变编码器转向的设置。

（4）如果大小不一致，应通过下面的方法来调整：

①检查编码器的接线、屏蔽接地；②检查编码器的脉冲数的设置等。

（5）如果测量的输出频率[MMF]输出一直为零，通过下面的检查来调整：

①检查编码器的接线是否正确；②编码器与编码器卡的类型是否匹配，类型和协议设置是否正确。

4.3.3 设置编码器子菜单

在编码器设置[IEN-]子菜单中，设置编码器用途[ENU]为无[NO]。起动变频器运行，使其输出频率稳定在电机额定频率的25%以上5秒钟以上。编码器检查[ENU]显示改变为完成[DONE]表示编码器检查通过。正常情况下电机输出频率[RFR]和测量的输出频率[MMF]大小一致、符号相同，编码器检查就能顺利完成。

4.3.4  编码器偏移角测试

在电机控制[DRC-]菜单的角度测试设置[ASA-]子菜单中，设置角度自测试[ASA]，变频器将向电机输出高频脉冲电流，对编码器与电机转子磁极的偏移角度进行测试。在参数角度测试状态[AStS]中可以观察其进程，当显示完成[Done]时测试完成，测试角度结果会在角度偏移值[ASU]中显示。注意：角度偏移值[ASU]值是介于0-8192之间的数值。

4.3.5  优化同步反相电势能系数PHS

    在机械设备空载的情况下，启动变频器，直接运行至额定频率。

    检查并记录[同步EMF误差]RDAE值；

    如果[同步电机EMF误差]RDAE的值小于0%，则[同步电机电势系数]PHS可增大。

    如果[同步电机EMF误差]RDAE的值大于0%，则[同步电机电势系数]PHS可减小。

    如果[同步电机EMF误差]RDAE的值接近0%，则PHS值为最佳状态。

最佳反相电势能系数值如图10所示。

4.3.6  设置为同步电机闭环矢量控制，优化运行性能

在电机控制[DRC-]菜单中，将电机控制类型[CTT]设置为同步电机闭环[Syn.CL]，进行运行测试试验。

4.3.7  根据现场工艺实际应用设置其它相关参数

根据需要，在各个菜单中，设置满足工艺要求或保护所必须设置的参数，比如最大输出频率，上限频率和下限频率，电流限幅，加减速时间，给定和命令通道，通讯配置，输入输出设置，电机保护方式及热保护电流，和故障复位分配等等。

4.3.8  运行测试

建议采用Somove调试软件或Keypad面板进行监控，例如监测输出频率MMF的波形，电流LCR的波形。观察变频器的状态，电流是否稳定，是否出现电流限幅CLI状态或触发变频器故障，观察电机或机械设备监控噪声和振动是否正常。Somove检测变频器输出的电流和频率值如图11所示。

5 ATV340 变频器对永磁同步电机开环矢量控制

ATV340变频器设计有同步电机的控制模型，可以对永磁同步电机实现开环矢量控制，也即同步电机没有安装编码器也可以驱动该电机，而对于纯伺服驱动器，电机没有安装编码器是无法驱动的，这点有别于纯伺服控制器。

以下为开环控制同步电机的调试步骤：

（1）将电机控制类型设置为开环同步电机控制

ATV340变频器出厂默认的电机控制类型为异步电机的开环矢量控制，只有当设置为同步电机控制时，同步电机的参数才出现。在电机控制[DRC-]菜单中，将参数电机控制类型[CTT]设置为同步电机[SYn]。

（2）输入电机铭牌参数

在电机控制菜单中的同步电机子菜单中，按照电机铭牌数据设置基本的同步电机参数，同步电机额定电流[NCRS]，同步电机额定速度[NSPS]，同步电机极对数[PPNS]，同步电机电动势[PHS]。

（3）进行电机参数自整定

在变频器处于RDY状态下，在电机控制[DRC-]菜单中，设置自整定[TUN]为请求自整定[YES]，启动自整定。自整定完成后，同步电机直轴电感[LdS]、同步电机交轴电感[LqS]、同步电机定子电阻[RSAS]默认值将被自整定的结果数据所替代。

（4）设置定子IR补偿

实践经验表明，设置定子IR补偿为最小值是必要的。在电机控制[drC-]菜单中，设置IR定子压降补偿[UFr]为其最小值0%。

（5）优化同步电势能系数PHS

    在机械设备空载的情况下，启动变频器，直接运行至额定频率。

    检查并记录[同步EMF误差]RDAE值；

    如果[同步电机EMF误差]RDAE的值小于0%，则[同步电机电势系数]PHS可增大。

    如果[同步电机EMF误差]RDAE的值大于0%，则[同步电机电势系数]PHS可减小。

    如果[同步电机EMF误差]RDAE的值接近0%，则EMF值为最佳状态。

（6）根据现场工艺实际应用设置其它相关参数

根据需要，在各个菜单中，设置满足工艺要求或保护所必须设置的参数，比如最大输出频率，上限频率和下限频率，电流限幅，加减速斜坡，给定和命令通道，通讯配置，输入输出设置，电机保护方式及热保护电流和故障复位分配等等。

（7）运行测试

建议采用Somove调试软件或Keypad面板进行监控，例如监测输出频率RFR的波形，电流LCR的波形。观察变频器的状态，电流是否稳定，是否出现电流限幅CLI状态或触发变频器故障，观察电机或机械设备监控噪声和振动是否正常。

6 ATV340和其他系列变频器在同步电机控制上的性能比较

ATV340是施耐德电气最新御卓系列下的高端伺服型变频器，相比老一代ATV71变频器，在同步电机的模型算法上有了很大的提高，比如电机模型中移植了高凸极性内嵌同步电机模型，用户只要输入电机铭牌参数后作电机自整定，就能精确的计算出电机模型参数简化调试步骤以及增加了陷波滤波器的功能等等，在很多应用行业弥补了ATV71的OFFER GAP。附表所示为施耐德不同变频器控制同步电机的性能比较。

7 ATV340实际应用调试中的经验分享和注意事项

7.1  低速度转矩输出性能

ATV340对同步电机开环控制在低速度下的转矩性能一般，特别在10%的额定频率下运行时转矩性能不太稳定，并且在零速下是没有输出保持功能，所以开环控制比较适用于对低速转矩没有很高要求的应用。如果需要很高的低速转矩或过载能力，或者用于提升类应用，必须采取闭环控制。

7.2  变频器上显示电流限幅[CLI]

如果在运行时变频器面板上出现电流限幅[CLI]，但实际显示的电流有效值未达到电流限幅门槛值，往往伴随机械设备的噪声或电机振动有异常，这时建议调整变频器速度环参数，即速度环比例增益[SPG]和速度环积分时间[SIt]以改善动态性能，按实践经验往往将比例增益[SPG]往下调，将积分时间[SIt]往大调。

7.3  低频率（1HZ）运行下速度不稳，转矩波动

ATV340带编码器用作闭环控制使用时，建议编码器线使用屏蔽线，将编码器的屏蔽层双端接地，以及激活编码器反馈滤波功能[FFA]，适当设置滤波时间[FFR]，防止由于现场安装接地系统不可靠，现场走线和布线不规范导致的电磁传导EMC干扰，从而导致低频下速度的波动。

7.4  计算反相电动势系数[PHS]                    

对于同步电机控制中，反相电动势系数[PHS]对于变频器稳定起动同步电机是非常关键的参数，[PHS]参数设置不当，直接会影响起动的性能，在极端情况下起动瞬间会触发SCF1故障。对于有些同步电机厂家假如没有直接提供有效的反相电动势系数，这个时候就需要我们根据电机铭牌的一些基本电机参数，初略的计算出反相电动势系数，再通过观察RDAE的值来微调[PHS]计算值，直至RDAE的值接近0%，即起动后电机运行稳定，电流输出稳定。如下公式中，由于E0为定子绕组反电势值，而通常为星形接法，而施耐德对于反电势值标定的结果必须是相值，所以乘以SQRT(3)，而电势系数为峰值电压与转速之比，所以需要乘以SQRT(2)，即得出公式：

8  结束语

本文主要阐述了ATV340系列变频器对永磁同步电机进行开环和闭环矢量控制的有关理论和实践调试方法注意事项，以此为我们前端工程技术人员在实际应用中提供技术向导。目 的是让我们的工程技术人员更好的理解和认识变频器如何有效和可靠的驱动永磁同步电机，掌握施耐德全新系列ATV340变频器控制永磁同步电机的理论和实际应用中处理问题的方法和要点，从而提高变频器控制同步电机相关问题的解决能力。

参考文献

[1]天津电气传动设计研究所. 电气传动自动化技术手册[Z]. 机械工业出版社,2011.4.

[2]Stephen D. Umans: Fitzgerald & Kingsley’s Electric Machinery[Z]. Seventh Edition Copyright 2013 by McGraw-Hill Education.

[3]施耐德变频器市场部. 施耐德变频器ATV340编程手册[Z]. 2017.

[4]施耐德变频器市场部. 施耐德变频器ATV340产品目录[Z]. 2017.

[5]施耐德变频器市场部. 施耐德变频器电机控制培训资料[Z]. 2015.