一种低成本高可靠性IPMSM启动方法

范立荣，黄景鹏

（广东交通职业技术学院 汽车与工程机械学院，广东 广州 510650）

0 引 言

永磁同步电机由于没有转子绕组，相比直流同步电机，具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高特点[1]，使其在冶金、橡胶以及家电等领域获得了广泛应用。而对永磁同步电机的控制主要采用无位置速度传感器实现，既可以降低成本，也可以提高系统的可靠性。

在永磁同步电机的多种控制方案中，最简单实用的是进行矢量控制。由于引入了坐标变换，电机的转矩分量和励磁分量得以独立控制[2]。但是，由于矢量控制在低速启动时电机定子上存在压降，会导致无法获得足够大的启动转矩。因此，对永磁同步电机的控制需要在启动方法上进行加以引导，使其能顺利切换至闭环运行。

1 转子初始预定位法

传统无位置传感器控制算法在零速和低速情况下无法准确检测转子位置。在永磁同步电机位置估算方法中，多数控制算法是利用电机中高速时的电机反电动势来估算转子位置。因为反电动势里包含转子位置信息，但在低速情况下同步电机旋转所产生的反电动势非常小，甚至低于逆变器的开关损耗压降。因此，低速情况下无法通过反电动势估算转子位置[3]。电机在启动过程中若检测不到转子位置，很容易造成失步或过流而造成启动失败。因此，针对永磁同步电机常规启动出现的问题进行了优化，提出了一种低成本高可靠性的转子预定位+I/F电流开环矢量控制系统，具体控制方法如图1所示。

对图1中的控制流程进行算法控制。首先，程序开始进行预定位，令θ=-90°，Id为一定正值，Iq=0。其次，设定定时时间，使其在定时时间内角度平滑递增至0°，再进行I/F开环启动至合适速度切换至闭环运行，软件控制流程如图2所示。

图2 预定位软件算法流程

2 MATLAB/Simulink仿真模型的搭建

为了验证此算法有效，下面进行MATLAB/Simulink系统的搭建并仿真。系统采用无位置速度传感器矢量结构，由转速电流双闭环构成，外环为转速环，内环分为Id、Iq电流环，分别控制磁场转矩和电磁转矩，而估算的转子角度θest及ωest分别由系统采样电机定子电流变换而来的Vα、Vβ、Iα、Iβ得到。系统整体运行结构如图3所示。

图3 基于预定位+I/F无位置速度传感器矢量控制系统框图

该系统搭建的MATLAB/Simulink仿真系统，如图4所示。

图4 预定位无位置速度传感器矢量控制仿真系统

主电路由输入直流DC经过3相逆变后驱动永磁同步电机。电机参数：额定功率P=1.25 kW；额定电压=380 V；极对数=2；定子电阻RS=0.35 Ω；定子d轴电感Ld=5.2 mH；定子q轴电感Lq=11.9 mH；磁链ψ=0.113 493 wb，转动惯量J=0.004 06 kg·m2。此外，设置初始角频率、转子角度、定子电流均为0，具体设置如图5所示。

预定位+I/F算法由Control Unit模块实现，系统输入参数由输入母线电压Vdc、系统采样得到的电机定子输入电流Ia和Ib、转子实际转速Ws及转速θ构成。常数模块Const=100 Hz作为设定电机电频率（由于极对数为2，实际机械频率为50 Hz）。具体实现框图如图6所示。

图5 永磁同步电机参数设置

系统采样离散仿真，开关器件开关频率设为10 kHz，死区时间设为2 μs。为了控制变量范围，输入输出变量均采用标幺值进行换算。电压标幺基准值为500 V，电流标幺基准值为25 A，具体设置如图7所示。

图6 预定位I/F算法框图

图7 预定位I/F算法框图

3 系统仿真

SVPWM发生模块是实现矢量控制的关键模块，由输入电机定子电流Ia和Ib进行clark变换、Park变换及反Park变换，将与clark变换后得出的三相交流正弦矢量电压ton作为调制波。作为与三角载波相比较的输入信号，输出的调制波与三角载波比较延迟后，得出6路SVPWM波形。SVPWM具体实现框图如图8 所示[4]。

图8 SVPWM发生模块

所有上述参数设置及模块完成后，设置仿真为Discrete仿真，时间为1e-6，负载随频率变化函数。为满足最高频率能在满负荷工作，设定负载TL=0.54×10-4×f2N·m，终止仿真时间为10 s，仿真结果如图9所示。其中，图9（a）为永磁同步电机定子电流Ia和Ib的仿真波形，图9（b）为电机电频率波形，图9（c）为电机转子角度波形，图9（d）为电磁转矩波形图。

从图9（a）～图9（d）可以看出，定子电流从0～1 s强制定位，角度都集中在0°附近。而1～4 s I/F为指定电流大小，进行开环运行后切换至闭环运行，转子角度无突变，转速波动小，对应电磁转矩除启动时有些脉动，稳定后脉动很小；4 s直接切换至闭环反电动势观测器运行；4～8 s后，升频转矩增大，至8 s后稳定。定子电流从定位→开环→闭环运行，切换过程无过冲失步，拖拉开环启动过程中相电流的频率和大小保持不变，使得压缩机在负荷轻或负荷重的情况都能可靠启动，充分验证了提出的预定位无位置速度传感器矢量控制算法的可靠性与可行性。

图9 电机定子电流、转速、转子角度及电磁转矩波形

在powergui中进行FFT频谱分析，分析从电机稳定运行至额定频率100 Hz即起始时间从9 s开始后的5个周期（即从切换到闭环至稳定运行时间段）。基准频率选取100 Hz（2对极，机械频率为50 Hz），分析至最大2 kHz，即分析40次谐波。ScopeData是一个矢量，存储了定子电流Ia、Ib。随机抽取一个定子电流input1，在其运行稳定后对其做FFT分析，定子电流的谐波分析频谱图如图10所示。

图10 定子电流谐波频谱图

从图10可以看出，谐波含量是0.059 5，基波幅值1.583 A，谐波含量低，对EMC造成的干扰及系统振动较小。

4 结 论

提出的转子初始预定位+I/F开闭环无位置速度传感器矢量控制系统，在MATLAB上编写C语言程序搭建模型进行仿真，验证了电机各关键参数波形运行良好。电机定子电流预定位→开环→闭环切换平稳，启动过程电流无冲击，电机转矩波动小，能适应不同负载下的启动，对永磁同步电机应用企业有很强的实践指导意义。从仿真结果可以看出，基于转子初始预定位+I/F开闭环无位置速度传感器矢量控制系统，定子电流波形为正弦波，电流谐波和转矩脉动小，可见该方案在永磁同步电机调速系统中具有可行性。