永磁电机的启动方法

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，就可以使电机起动起来。换句话说，就是用
sin(180° + θ
[− 45°,45°]
Td > TN Td < 0 Td < TN Td > TN Td > 0 Td < TN
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
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。
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)
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
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。
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
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，
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：
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
从公式 (4)~(7) 可以得出 θ err 在不同范围内电 机起动时的现象，进而得出起动校正的措施和校 正后的结果，见起动分析一览表。 运行指令为正转时：
θ err 范围
角度误差时 电磁转矩
起动 现象
θF
s
校正 类型
Td = sin(θ Fs
2TN × − θ err )
正转
校正
校正 后结 果及 说明
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
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；
< 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
(45°,135° ) [135°,225°]
无法 起动 可起 动但 正转 无法 起动
Ⅲ Ⅱ
(225°,315° )
Td = C m N s =
3 I m F r sin θ 2 2T N sin( θ F s − θ err )
电机无法起动 电机正向起动 电机反向起动
增加 900
Ⅲ
(6)
判断电机运行状态的依据：
[− 45°,45°]
Td > TN Td > 0 Td < TN Td > TN Td < 0 Td < TN
不需 校正 增加 90 0 增加) [135°,225°]
无法 起动 反转 起动 无法 起动
Ⅲ Ⅱ
正转 正转
向与运行的给定方向就一致了。 情况Ⅲ： 当 45° < θ err < 135° ，225° < θ err
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
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)。
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
【关键词】 ：永磁同步电机控制，电机起动
Analyzing of PMSM Starting Process
Hanlin Zhao Rongxiang Wengli (Electric Engineering Institute of Zhe jiang University, Hang Zhou 310027) Abstract：It is a difficult problem to start PMSM when not knowing the position of the rotor. When developing the PMSM inverter, the author analyzed the process of starting motor and all the cases of motor running if not knowing the position of rotor. At last the article describe the software process of realizing starting the motor. The experiment verified that this method is feasible. Keywords：PMSM controlling, motor start
= 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。