PMSM的一种新启动方法

Td < TN
表二 转子位置未知的电机反向起动分析表 Table2 Analyzing of starting motor backward 从上面的表格可以看出，正转运行和反转运 行除了在电机无法起动时的校正刚好相反以外， 其余都一样。因此将以正转为例，对照表格分下
Td > TN , Td > 0
一致的。 因此在未发生 PG_Z 信号之前， 转子位置 和定子电流的磁动势之间的夹角始终不变。所以 这当中不需要进行起动校正。 情况Ⅱ：当 135° ≤ θ err ≤ 225° ，电机起动时朝 预定的相反方向运行。这种情况下，使得电机能 够朝正确方向运行起来的方法是把定子电流磁动 势角度增加 180 度。由式（6） ， （7） ，电磁转矩方
三、PMSM 在转子位置未知时起动分析和 校正
由于增量式光电编码器包含有一个绝对位置 信号 PG_Z 信号， 它可以用来对位置信号进行绝对 定位。因此永磁同步电机在自控方式下，一旦当
Td = C m N = TN
3
s
2
= 900 ， 2 I N F r sin 90
0
(5)
由于转子位置未知电机的起动很特殊， θ 可
Td > TN , Td < 0
(7)
面几种情况进行具体分析： 情况Ⅰ：当 − 45° ≤ θ err ≤ 45° 时，电机刚起动 时能够朝给定方向运行。这种情况下，电机起动 后在接收到转子位置实际值之前是否需要进行起 动校正呢？结论是不需要。因为我们使用的自控 式控制方式。当电机转动以后，转子转过的角度 和软件从增量式光电编码器中得到的角度增量是
= 0 的控制策略，
θ F 为定子磁动势相对于 d ′ 轴的角
S
度，按照 i d
因此在正转的情况下，控制系统的定子的合成磁 动势 ( 也即定子电流的综合矢量位置 ) 要求始终超 前转子位置 90 度，如图 2 中 F 所示，反转的话， ϖ′ 反向超前 90 度，如图 2 中 F s 所示。这样当电机 起动后只要保持合适的电流值就可以产生持续的 固定方向的转矩使电机正常运行下去。
< 315°
(225°,315° )
减少 900
Ⅲ
正转
时，电机不能转动。由于此时无法判断转子角度 的偏差究竟这两者的哪种，故实际起动校正过程 中就无法知道是把 θ F s 增加 90 度或减去 90 度， 因 此起动纠正无法一步到位。实际校正过程中，对 ′ s = θ F s + 90 0 于电机无法起动的情况， 一律进行 θ F 的校正。由式（ 6 ） ， （7） ，电机可以运转，当
二、PMSM 在正常情况下起动过程分析
在系统起动之前，假定转子位置传感器已经 准确地检测出转子 d 轴在空间的位置，如图 1[2] 所示:
图 1 同步电动机的空间矢量图 Figure 1 Space Vector of PMSM 图中， A(α ) 为定子 A 相轴所在位置；
1
λ 为转子 d 轴与 A(α ) 的夹角， λ = λ0 ； θ 为定转子磁势的夹角；
反转
不需 校正 减少 90 0 增加
180 0
Ⅰ
校 正 后 结 果 及 说 明 反 转 反 转 反 转 反 转
2 I N 作为起动电流， 可以保证在实际的转子位置
和系统初始化的转子位置偏差大于为 45 度的情况 下，只要校正一次就可以起动电机(当然可能转错 方向)。在转子实际位置和初始角有偏差的情况下 的转矩为：
2TN ×
Fs − θ err )
校正
校 正 类 型
流。从表一、二分析的结果看对于这种由于实际 转子位置和系统初始化的转子位置偏差较大，电 机无法起动的情况，可通过把定子磁动势增加 90 度，就 + θ
[− 45°,45°]
Td > TN Td < 0 Td < TN Td > TN Td > 0 Td < TN
2
以是任意数值，根据后面电机起动校正分析一览 表以及起动校正后的转矩公式可以看出，校正后 由于 sin θ ≥ 1 / 2 ，若要保证 Td ≥ TN ，只要保 证I ≥
运行指令是反转时：
θ err 范围
角度误差时 电磁转矩
起动 现象
θF
s
2 I N 即可。因此选取 2 I N 作为起动电
T = d
一种永磁同步电动机起动的新方法
韩林 赵荣祥 翁力
(浙江大学电气工程学院 杭州 310027) 【摘要】 ：永磁同步电机在转子位置未知情况下的起动问题一直是一个难题。作者在研制永磁同
步电机变频器过程中，详细地分析了正常情况下永磁同步电机的起动过程，以及在转子位置未知 的情况下电机起动过程中可能出现的各种情况，然后针对各种情况提出了解决的方案。最后文章 又给出了电机起动过程软件实现的流程。通过实验证明这种分析是正确，实现的方法是可行的， 解决了转子位置未知情况下起动永磁同步电机的难题。
s
s 式中： F 为定子磁动势的幅值， F = N s
3 Im 2
I m 为定子相电流的最大值 λ0 + θ 为定子相电流的初相角
从电磁转矩公式[2][3]可得:
Td = C m F s F r sin θ
(3)
0 0 < θ < 180 0 > 0 Td = 180 0 < θ < 360 0 < 0 F s 意义同上， F r 为转子磁动势幅值，在永
ϖs
ϖs ′ 即图 2 中 F 所示。
θF
S
= 0 的控制策略，当电机正向旋转时， = 90° 。当电机反向旋转时， θ F = 270° ，
S
按照前面公式(2)、(3)可以推导出转矩公式：
Td = C m N s
3 I m F r sin θ 2
(4)
当电机起动电流为额定电流 I N ，同时忽略机 械摩擦时， 只有当 θ
表一 转子位置未知的电机正向起动分析表 Table1 Analyzing of starting motor forward
3
45° < θ err < 135° 时，电机可以正方向运行；对于
不需要进行起动校正的情况如下： 1)系统处于停止命令 2)电机运行方向指令和实际运行方向一致 3)PG_Z 已经来过 4)电机起动刚开始时， 起动电流还没有达到额 定电流的 1.5 倍，转子位置转过不到 15 个码盘脉 冲的情况 5)电机的起动校正命令刚发出， 但是起动校正 延时时间 200ms 还没有到的情况。 注：起动校正命令发出后延时 200ms 结束， 起动校正命令清零。起动校正命令可以提供给软 件判断是否需要进行起动校正判据之一。若起动 校正命令为 0，则可以进行起动校正。 下面是电机起动校正子程序流程图，该程序 是嵌套在永磁同步电机控制的主程序中，每 2ms 执行一次。 永磁同步电机起动校正子程序流程图
i A = I m cos(λ0 + θ ) iB = I m cos(λ0 + θ − 1200 ) iC = I m cos(λ0 + θ − 2400 )
ϖ ϖ F s = N s i s = N s (i A + ai B + a 2 iC ) = Ns
那么，定子合成磁动势的矢量为
3 I m e j ( λ0 +θ ) = F s e j ( λ +θ ) 2
F 为定子磁动势； F 为转子磁动势。
假设此时给定子绕组通入电流：
r s
转子转过 PG_Z 信号后，控制系统就知道确切位 置，电机的运行就不成问题了。所以电机起动的 第一周在还没有检测到 PG_Z 信号之前的运行就 成为作者研究的问题。 由于在上电后电机转子的实际位置可能停在 任意角度，而上电后，电机转子位置在软件中的 (1) 初始角是某个固定值，这样实际位置和初始角之 间存在偏差。 在偏差是任意 （0~360°） 的情况下， 怎样才能得到使电动机持续运转的固定方向的转 矩如图 2 所示： (2)
磁同步电动机中为一定值。 本系统应用的实例是恒定负载转矩下的起 动， 即 TL = T N 。 若此系统电磁转矩的绝对值大于 负载转矩 TN ，那么同步电动机就能起动。在实际 的控制系统中由于使用的是 i d
图 2 永磁同步电动机起动分析矢量图 Figure 2 Vector of analyzing of PMSM starting 图 2 中： d 为实际的转子位置， d ′ 为系统初始化的转子位置， θ err 为 d ′ 轴到 d 轴的角度偏差，
225° < θ err < 315° ，当一次校正后，定子磁动势
角度增加了 90 度。根据前面的分析，校正后电机 反转。因此需要按照Ⅱ类校正方案进行二次校正。 这样磁动势又会增加 180 度，这样总共磁动势角 度增加 270 度，也就是减去 90 度。这样电机就能 正常运行起来了。 要特别说明的是这样的做法是基于这样的条 件：就是第一次起动校正使转子位置移动的距离 可以忽略不计(本实验中只有 1.8 度，下面在具体 实现中予以说明)。
一、序言
正弦波磁场永磁同步电机(以下简称 PMSM) 控制系统在使用自控式控制方法时，如果在起动 前知道转子位置，那么电机的起动就十分简便。 作者在 15KW 的永磁同步电机变频器项目的研制 中，电机控制系统采用的是一般永磁同步电机常 用的 i d = 0 [1]的控制策略。这是基于转子磁链定 向，利用永磁同步电机转子磁链恒定的特点，要 求变频器在整个控制过程中定子电枢电流的综合 矢量在 dq 0 坐标系统中只有 q 轴分量 ( 即转矩分 量)， d 轴分量为 0。控制方案中需要检测电机的 转子位置，作者项目中所使用的位置传感器为增 量式光电编码盘，它包含 PG_A，PG_B 和 PG_Z 三个信号。如果电机系统第一次上电控制之前无 法知道转子在空间的准确位置，电机起动就十分 困难。本文将就这个问题展开详细的理论分析， 进而就实际的实现提出一个行之有效的解决方 案。