永磁同步电机FOC_DTC系统启动方法研究

2012年第34卷第5期第16页电气传动自动化

ELECTRICDRIVEAUTOMATIONVol．34，No．534（5）：16～192012，

文章编号：1005—7277（2012）05—0016—04

永磁同步电机FOC／DTC系统启动方法研究

李耀华，刘晶郁，张德鹏，关家午，蔡红民

（长安大学汽车学院，陕西西安710072）

摘要：针对永磁同步电机矢量控制系统和直接转矩控制系统，提出了两种简单的启动方法（两步定位法和SPWM开环启动法），并在一台15kW内置式永磁同步电机上得到了实验验证。关键词：永磁同步电机；矢量控制；直接转矩控制中图分类号：TM351

文献标识码：A

ResearchonstartingmethodsofthePMSMFOC／DTCsystem

LIYao－hua，LIUJing－yu，ZHANGDe－peng，GUANJia－wu，CAIHong－min

（SchoolofAutomobileofChang’anUniversity，Xi’an710064，China）

Abstract：Twoeasystartingmethods（two－steppre－fixedwayandSPWMopen－loopcontrolway）forpermanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）fieldorientedcontrol（FOC）anddirecttorquecontrol（DTC）systemareputforward．Theexperimentalresultsfora15kWinteriorPMSMareproposedtotestifythefeasibility．Keywords：permanentmagnetsynchronousmotor；fieldorientedcontrol；directtorquecontrol

1引言

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、功率因数高等优越性能，由其组成的高性能驱动系统近年来受到了广泛的关注。而针对感应电机提出的矢量控制和直接转矩控制技术在永磁同步电机领域也得到了应用。

［1］

位置信息，因此其也存在着启动问题。

研究者提出了各种方法实现转子初始位置判定，如：扩展卡尔曼滤波器［2］和三次谐波注入［3］等，但这些方法存在实现较为复杂，需要额外的电路等问题。

本文针对一台15kW内置式永磁同步电机矢量控制系统和直接转矩控制系统，提出了两种简单），的启动方法（两步定位法和SPWM开环启动法并得到了实验验证。

和感应电机矢量控制系统类似，永磁同步电机矢量控制系统同样需要连续转子位置信息以实现定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，其中转子位置信息采用转子位置传感器得到。对于增量式转子位置传感器，由于其初始输出值为零，与实际值存在误差，故不能用于启动电机。

与感应电机直接转矩控制系统不同，永磁同步电机直接转矩控制系统的定子磁链初始值并不为零，而由转子永磁体磁链以及转子初始位置决定。定子磁链估算方法一般采取电流模型或者电压模型。由于电流模型同样需要连续转子位置信息，因此同样存在启动问题。对于电压模型，定子磁链积分器在静止坐标系的初始值需要转子初始

2启动方法

2．1两步定位法

由于转子传感器初始输出值为零，则如果转子初始实际位置与转子传感器输出相同，转子传感器输出就可应用于启动电机。对于直接转矩控制电压模型，如果使得转子初始位置与电压模型定子磁链积分器的初始设定相同，则可直接启动直接转矩控制系统。本文将转子位置初始定位在静止坐标但如果转子初始位置恰好在180°，此系的0°位置。

时定位法失效，本文提出先把转子定位在60°之后

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再定位在0°，这就是两步定位法的基本思想。

两步定位法控制下，内置式永磁同步电机的a相定子电流如图1所示，其中横坐标1s／格，纵坐标20A／格，其中实验所用内置式永磁同步电机的参数如下：

IPMSM：极对数p＝6，定子电阻RS＝0．0142Ω，d轴电感Ld＝0．6660mH，q轴电感Lq＝0．8745mH，永磁体磁链ψf＝0．06Wb，最大相电流Imax＝160A。

图1两步定位法下的电机a

相定子电流波形

由于电机在转子定位过程中的旋转方向是由转子初始位置决定的，无法预先控制。因此，两步定位法不能应用于某些领域。2．2SPWM开环启动法

对于电动汽车，要求在启动初始阶段，电机处于零转速或低转速状态，之后再加速至参考转速。因此，可以采用SPWM开环启动法，先采用SPWM控制，让电机运转在低速状态，当转子位置传感器的输出为正确值时，再切换至矢量控制或者直接转矩控制，而且SPWM控制下电机的旋转方向可控。对于采用电压模型估算定子磁链的直接转矩控制，由于不需要转子位置传感器，则切换点可由时间控制，但存在切换点的电压模型定子磁链与实际定子磁链的误差问题。

SPWM控制下，电机转速为5rpm时电机的a相定子电流如图2所示，其中横坐标1s／格，纵坐标20A／格。

3实验结果

下文给出内置式永磁同步电机矢量控制系统和采用电流模型和电压模型估算定子磁链的直接

转矩控制系统分别采用两步定位法和SPWM开环启动法的实验结果。矢量控制系统采用滞环电流法实现，三相定子电流滞环宽度为0．1A。直接转矩控制系统采用开关表控制，定子磁链幅值和转矩滞环控制宽度分别为0Wb和0Nm。

图2SPWM控制下的电机a

相定子电流波形

3．1两步定位法

3．1．1矢量控制系统

参考定子d轴电流为0A，参考转速为100rpm。电机从静止状态至稳态100rpm的a相定子电流（50A／格）和转速（100rpm／格）波形如图3所示，其中横坐标为2s／格。

图3电机a

相定子电流和转速波形

3．1．2电流模型下的直接转矩控制系统参考定子磁链幅值为0．06Wb，参考转速为100rpm。电机从静止状态至稳态100rpm的a相定子电流（50A／格）和转速（100rpm／格）波形如图4所示，其中横坐标为2s／格。

3．1．3电压模型下的直接转矩控制系统参考定子磁链幅值为0．06Wb，参考转速为150rpm。电机从静止状态至稳态150rpm的a相定

·18·电气传动自动化2012年第5期

子电流（黄色，50A／格）和转速（绿色，100rpm／格）波形如图5所示，其中横坐标为2s／格。

图4电机a

相定子电流和转速波形

图5电机a

相定子电流和转速波形

3．2SPWM开环启动法

3．2．1矢量控制系统

参考定子d轴电流为0A，参考转速为100rpm。先使用SPWM使电机从静止状态运行至5rpm，当转子传感器输出正确时，再切换至矢量控制。电机从5rpm至稳态100rpm的a相定子电流50A／格）和转速（100rpm／格）波形如图6所示，其中横坐标为2s／格。

图6电机a

相定子电流和转速波形

3．2．2电流模型下的直接转矩控制系统参考定子磁链幅值为0．06Wb，参考转速为100rpm。先使用SPWM使电机从静止状态运行至5rpm，当转子传感器输出正确时，再切换至直接转矩控制。电机从5rpm至稳态100rpm的a相定子电流（50A／格）和转速（100rpm／格）波形如图7所示，其中横坐标为2s／格。

图7电机a

相定子电流和转速波形

3．2．3电压模型下的直接转矩控制系统参考定子磁链幅值为0．06Wb，参考转速为150rpm。先使用SPWM使电机从静止状态运行至

5rpm，经过一段时间后，再切换至直接转矩控制。电机从5rpm至稳态150rpm的a相定子电流（50A／格）和转速（100rpm／格）波形如图8所示，其中横坐标为5s／格。

图8电机a

相定子电流和转速波形

3．3实验结果分析

实验结果表明两步定位法可顺利从静止状态启动永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制系统，但由于定位过程电机旋转方向无法控制，不能

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