永磁同步電機FOC／DTC系統(tǒng)啟動方法研究

李耀華，劉晶郁，張德鵬，關(guān)家午，蔡紅民

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710072）

1 引言

永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、功率因數(shù)高等優(yōu)越性能，由其組成的高性能驅(qū)動系統(tǒng)近年來受到了廣泛的關(guān)注。而針對感應(yīng)電機提出的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在永磁同步電機領(lǐng)域也得到了應(yīng)用［1]。

和感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)類似，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)同樣需要連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信息以實現(xiàn)定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，其中轉(zhuǎn)子位置信息采用轉(zhuǎn)子位置傳感器得到。對于增量式轉(zhuǎn)子位置傳感器，由于其初始輸出值為零，與實際值存在誤差，故不能用于啟動電機。

與感應(yīng)電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)不同，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的定子磁鏈初始值并不為零，而由轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈以及轉(zhuǎn)子初始位置決定。定子磁鏈估算方法一般采取電流模型或者電壓模型。由于電流模型同樣需要連續(xù)轉(zhuǎn)子位置信息，因此同樣存在啟動問題。對于電壓模型，定子磁鏈積分器在靜止坐標(biāo)系的初始值需要轉(zhuǎn)子初始位置信息，因此其也存在著啟動問題。

研究者提出了各種方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置判定，如：擴展卡爾曼濾波器［2]和三次諧波注入［3]等，但這些方法存在實現(xiàn)較為復(fù)雜，需要額外的電路等問題。

本文針對一臺15kW內(nèi)置式永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，提出了兩種簡單的啟動方法（兩步定位法和SPWM開環(huán)啟動法），并得到了實驗驗證。

2 啟動方法

2.1 兩步定位法

由于轉(zhuǎn)子傳感器初始輸出值為零，則如果轉(zhuǎn)子初始實際位置與轉(zhuǎn)子傳感器輸出相同，轉(zhuǎn)子傳感器輸出就可應(yīng)用于啟動電機。對于直接轉(zhuǎn)矩控制電壓模型，如果使得轉(zhuǎn)子初始位置與電壓模型定子磁鏈積分器的初始設(shè)定相同，則可直接啟動直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。本文將轉(zhuǎn)子位置初始定位在靜止坐標(biāo)系的0°位置。但如果轉(zhuǎn)子初始位置恰好在180°，此時定位法失效，本文提出先把轉(zhuǎn)子定位在60°之后再定位在0°，這就是兩步定位法的基本思想。

兩步定位法控制下，內(nèi)置式永磁同步電機的a相定子電流如圖1所示，其中橫坐標(biāo)1s／格，縱坐標(biāo)20A／格，其中實驗所用內(nèi)置式永磁同步電機的參數(shù)如下：

IPMSM：極對數(shù) p＝6，定子電阻 RS＝0.0142Ω，d軸電感 Ld＝0.6660mH，q 軸電感 Lq＝0.8745mH，永磁體磁鏈 ψf＝0.06Wb，最大相電流 Imax＝160A。

圖1 兩步定位法下的電機a相定子電流波形

由于電機在轉(zhuǎn)子定位過程中的旋轉(zhuǎn)方向是由轉(zhuǎn)子初始位置決定的，無法預(yù)先控制。因此，兩步定位法不能應(yīng)用于某些領(lǐng)域。

2.2 SPWM 開環(huán)啟動法

對于電動汽車，要求在啟動初始階段，電機處于零轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，之后再加速至參考轉(zhuǎn)速。因此，可以采用SPWM開環(huán)啟動法，先采用SPWM控制，讓電機運轉(zhuǎn)在低速狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出為正確值時，再切換至矢量控制或者直接轉(zhuǎn)矩控制，而且SPWM控制下電機的旋轉(zhuǎn)方向可控。對于采用電壓模型估算定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制，由于不需要轉(zhuǎn)子位置傳感器，則切換點可由時間控制，但存在切換點的電壓模型定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差問題。

SPWM控制下，電機轉(zhuǎn)速為5rpm時電機的a相定子電流如圖2所示，其中橫坐標(biāo)1s／格，縱坐標(biāo)20A／格。

3 實驗結(jié)果

下文給出內(nèi)置式永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)和采用電流模型和電壓模型估算定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分別采用兩步定位法和SPWM開環(huán)啟動法的實驗結(jié)果。矢量控制系統(tǒng)采用滯環(huán)電流法實現(xiàn)，三相定子電流滯環(huán)寬度為0.1A。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用開關(guān)表控制，定子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制寬度分別為0Wb和0Nm。

圖2 SPWM控制下的電機a相定子電流波形

3.1 兩步定位法

3.1.1 矢量控制系統(tǒng)

參考定子d軸電流為0A，參考轉(zhuǎn)速為100rpm。電機從靜止?fàn)顟B(tài)至穩(wěn)態(tài)100rpm的a相定子電流（50A／格）和轉(zhuǎn)速（100rpm／格）波形如圖 3所示，其中橫坐標(biāo)為2s／格。

圖3 電機a相定子電流和轉(zhuǎn)速波形

3.1.2 電流模型下的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

參考定子磁鏈幅值為0.06Wb，參考轉(zhuǎn)速為100rpm。電機從靜止?fàn)顟B(tài)至穩(wěn)態(tài)100rpm的a相定子電流（50A／格）和轉(zhuǎn)速（100rpm／格）波形如圖 4所示，其中橫坐標(biāo)為2s／格。

3.1.3 電壓模型下的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

參考定子磁鏈幅值為0.06Wb，參考轉(zhuǎn)速為150rpm。電機從靜止?fàn)顟B(tài)至穩(wěn)態(tài)150rpm的a相定子電流（黃色，50A／格）和轉(zhuǎn)速（綠色，100rpm／格）波形如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為2s／格。

圖4 電機a相定子電流和轉(zhuǎn)速波形

圖5 電機a相定子電流和轉(zhuǎn)速波形

3.2 SPWM 開環(huán)啟動法

3.2.1 矢量控制系統(tǒng)

參考定子d軸電流為0A，參考轉(zhuǎn)速為100rpm。先使用SPWM使電機從靜止?fàn)顟B(tài)運行至5rpm，當(dāng)轉(zhuǎn)子傳感器輸出正確時，再切換至矢量控制。電機從5rpm至穩(wěn)態(tài)100rpm的a相定子電流（50A／格）和轉(zhuǎn)速（100rpm／格）波形如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為2s／格。

圖6 電機a相定子電流和轉(zhuǎn)速波形

3.2.2 電流模型下的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

參考定子磁鏈幅值為0.06Wb，參考轉(zhuǎn)速為100rpm。先使用SPWM使電機從靜止?fàn)顟B(tài)運行至5rpm，當(dāng)轉(zhuǎn)子傳感器輸出正確時，再切換至直接轉(zhuǎn)矩控制。電機從5rpm至穩(wěn)態(tài)100rpm的a相定子電流（50A／格）和轉(zhuǎn)速（100rpm／格）波形如圖 7所示，其中橫坐標(biāo)為2s／格。

圖7 電機a相定子電流和轉(zhuǎn)速波形

3.2.3 電壓模型下的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

參考定子磁鏈幅值為0.06Wb，參考轉(zhuǎn)速為150rpm。先使用SPWM使電機從靜止?fàn)顟B(tài)運行至5rpm，經(jīng)過一段時間后，再切換至直接轉(zhuǎn)矩控制。電機從5rpm至穩(wěn)態(tài)150rpm的a相定子電流（50A／格）和轉(zhuǎn)速（100rpm／格）波形如圖8所示，其中橫坐標(biāo)為5s／格。

圖8 電機a相定子電流和轉(zhuǎn)速波形

3.3 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明兩步定位法可順利從靜止?fàn)顟B(tài)啟動永磁同步電機矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，但由于定位過程電機旋轉(zhuǎn)方向無法控制，不能應(yīng)用于所有場合。SPWM開環(huán)啟動法下電機旋轉(zhuǎn)方向可控，且可使得電機先從靜止到低速狀態(tài)，然后再加速到參考轉(zhuǎn)速，適用于電動汽車領(lǐng)域，

對于采用電壓模型估算定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，由于切換點時刻電壓模型估算的定子磁鏈與實際定子磁鏈存在誤差，則電機出現(xiàn)抖動。當(dāng)兩者之間的誤差為零后，電機再加速至參考轉(zhuǎn)速，如圖9所示。因此，SPWM啟動方法并不適用于采用電壓模型估算定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文針對永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，提出了兩種簡單的啟動方法（兩步定位法和SPWM開環(huán)啟動法），并在一臺15kW內(nèi)置式永磁同步電機上得到了實驗驗證。實驗結(jié)果表明兩步定位法簡單易行，但由于定位過程中電機旋轉(zhuǎn)方向無法控制，不能應(yīng)用于所有場合。SPWM開環(huán)啟動法下電機旋轉(zhuǎn)方向可控，且可使得電機先從靜止到低速狀態(tài)，然后再加速到參考轉(zhuǎn)速，適用于電動汽車領(lǐng)域。對于采用電壓模型估算定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，由于切換點時刻電壓模型估算的定子磁鏈與實際定子磁鏈存在誤差，則電機出現(xiàn)抖動。當(dāng)兩者之間的誤差為零后，電機再加速至參考轉(zhuǎn)速。因此，SPWM開環(huán)啟動方法并不適用于采用電壓模型估算定子磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。

［1] L.Zhong，M.F.Rahman，W.Y.Hu，K.W.Lim.A direct torque controller for permanent magnet synchronous motor drives ［J] .IEEE Trans.Energy Conversion.，1999，14（3）：637－642.

［2] R.Dhaouadi，N.Mhan，L.Norum.Design and implementation of an extended Kalman filter for the state estimation of a permanent magnet synchronous motor ［J] .IEEE Trans.Power Electronoics.，1991，6（3）：491－497.

［3] M.E.Haque，L.Zhong，M.F.Rahman.A sensorless initial rotor position estimation scheme for a direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive［J] .IEEE Trans.Power Electronics.，2003，18（6）：1376－1383.