th Proceedings of the 25 Chinese Control Conference 7-11 August, 2006, Harbin, Heilongjiang ISG永磁同步电动机直接转矩控制系统 1. 引言（Introduction） ISG（Integrated Starter Generator）技术是应用 最为广泛的混合动力电动汽车传动系统结构，电机 驱动系统是其核心之一。 永磁无刷直流电机去掉了普通直流电机的机械 换向装置而改用电子换向，兼有了直流电机易于控 制，调速性能好和异步电动机结构简单，运行可靠， 维护方便等优点；同时，摆脱了速度与功率的限制， 功率密度大、效率高，成为混合动力电动汽车电动 机驱动系统的研究热点之一1。其中，技术发展最 快、最成熟的是日本。以丰田、本田为代表的各汽 车公司和研发部门非常重视电动车用永磁同步电机 IEEE Catalog Number: 06EX1310 此项工作得到吉林省科技发展计划项目资助, 项目编号: 20050314. 的研究，并针对不同的实际应用条件研制出了各种 功率的电机2。 根据电动机气隙磁场的分布情况，永磁无刷电 动机主要包括方波无刷直流电动机和正弦波无刷直 流电动机，后者一般称之为永磁同步电动机34。 ISG混合动力系统中， 永磁同步电动机要同时具 有发电机和电动机功能，可实现发电运行、快速启 动、动力辅助、制动能量回馈和主动减振等功能,从 而改善整车燃油经济性、排放性能及舒适性，这对 永磁同步电动机驱动系统提出了较高的要求5。 永磁同步电动机驱动系统中，最常用的是矢量 控制。矢量控制通过磁场定向将定子电流分解为励 磁分量和转矩分量，从而获得良好的解耦特性，通 过控制电流间接控制电机转矩6。 但是， 矢量控制中 坐标变换复杂、对电机参数的依赖性大，需要转子 的精确位置信息。转子的位置传感器的存在，提高 了系统的成本，容易受到高温、潮湿、振动等恶劣 张佩杰1，田彦涛1*，龚依民2 1. 吉林大学通信工程学院，长春 130022 mczpj2001E-mail: 2. 吉林大学物理学院，长春 130022 gongymE-mail: 摘 要: 分析了ISG永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理。为了实现电动机的大范围调速，提出了一种永磁 同步电动机直接转矩控制系统的解决方案，额定转速下对电机进行恒转矩控制，额定转速上对电机进行弱磁恒 功率控制。在离散时刻利用电流模型对磁链估计值进行校正，减小了磁链估计的误差，提高了系统的可靠性。 通过仿真、实验，验证了算法的有效性。 关键词: ISG，永磁同步电动机，直接转矩控制，弱磁控制 Direct Torque Control System of Permanent Magnet Synchronous Motor for Integrated Starter Generator of Hybrid Electric Vehicles 112 Zhang Peijie , Tian Yantao , Gong Yimin 1. College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130022 E-mail: mczpj2001 2. College of Physics , Jilin University, Changchun 130022 E-mail: gongym Abstract: The basic principle of direct torque control of PMSM was analyzed. To drive the motor in a wide speed range, a direct torque control system was presented. Constant torque control was adopted when rotors speed was less than the rating speed, or else, the field weakening control was employed. At discrete time, the estimation of stator flux linkage was revised using the current model. The estimation error was reduced and robustness was enhanced. It is proved that fast torque response can be obtained by simulation and implementation of the control strategy. Key Words: ISG, PMSM, direct torque control, field weakening operation 1552 环境的影响，尤其不适合于电动汽车恶劣的应用环 境。 直接转矩控制是一种无速度传感器控制方法， 是上世纪80年代中期针对异步电机的控制提出的， 90年代中期有学者将直接转矩控制思想应用于永磁 同步电机的控制78。 直接转矩控制强调对电机的转 矩进行直接控制，只需要在定子坐标系下分析永磁 同步电动机的的数学模型，省掉了矢量旋转变换等 复杂的变换和计算。直接转矩控制只需要定子电阻 就能应用定子磁链进行磁场定向，对电机参数变化 较强的鲁棒性。同时，直接对转矩进行控制可以使 电动机获得更快的转矩响应， 具有更好的动态性能。 本文分析了永磁同步电动机直接转矩运行的基 本原理，讨论了弱磁运行的限制条件，提出了永磁 同 步 电 动 机 一 种 弱 磁 运 行 控 制 方 法 。 应 用 MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了永磁同步电 动机直接转矩控制系统的仿真模型，研究了永磁同 步电动机在低速恒转矩，高速弱磁恒功率运行控制 方式，通过电流模型在离散时刻对电动机的磁链估 计值进行校正，减小了磁链估计误差，并在ISG混合 动力实验台上进行了验证。 2. 2. 直接转矩控制基本原理（Basic principle of direct torque control） ） 图1为永磁同步电动机运行时，定、转子磁链及 定子电流空间矢量图，其中为定子静止坐标 系，为转子同步旋转坐标系，dqxy为定子上 随定子磁链同步旋转的坐标系。 图 1 PMSM运行矢量原理图 根据图1，在定子静止坐标系下，电动机的电磁 转矩可以写为 () 3 2sinsin2 4 ps qsqfd qd e n TLLL L L = （1） 式中，为电磁转矩，为磁极对数，、 为定子绕组的、轴等效电感； e T p n d L q L dq f 为永磁体磁 链。永磁同步电机的转矩由两部分组成，第一部分 是由定子电流与永磁体的相互作用产生的电磁转矩, 称为励磁转矩；另一部分是由于转子的凸极效应引 起的，称为磁阻转矩9。 为转子永磁体磁链与定子电流产生的磁链间 的夹角，一般称为转矩角。在忽略定子电阻的情况 下，转矩角即为功率角。稳态时，定子、转子同步 旋转，因此在恒定负载的情况下转矩角为恒定值。 电机瞬态时，转矩角则因定转子的旋转速度的 不同而不断改变。电动机运行时，大小满足以下 关系 cos d s = （2） sin q s = （3） s 为切割定子绕组的总磁链，可以根据永磁同 步电动机的电流模型计算 dd d L i f =+ qq L iq= 22 sdq =+ （4） 其中， d 、 q 为定子磁链的、q轴分量； 、 分别为定子电流的、轴分量。保持定子磁链 幅值 d d i q idq s 不变， 控制定转子磁链之间的夹角(转矩角) ，即可控制电机转矩T。快速改变转矩角，就能 获得快速的转矩响应。 式（8）求导 () 3 coscos2 2 ps e fqsqd dq n dT LLL dL L = （5） 图2给出了依据式(13)所得到的不同定子磁链 下的转矩与负载角的关系曲线。 可以看出， 随着 s 的增大，随负载角的变化会出现极性变化。 e T 图 2 不同 s 下，特性图 e T - 0 | e dT d = 0， 可以得到电动机直接转矩运行时 定子磁链的限制条件 1553 d sf q d L LL 时，电动机的转 矩输出能力会随着负载角的增大而下降，即 0 e dT d ，会使系统崩溃10。 3. 3. 直接转矩控制系统的实现 （Implementation of direct torque control system） 如图3所示为永磁同步电机直接转矩控制基本 原理框图。电磁转矩和定子磁链误差分别作为各自 滞环比较器的输入,两个滞环比较器的输出和磁链位 置的估计值一同作为电压空间矢量选择表的输入， 选择合适的电压空间矢量，控制逆变器的输出电 压。电压空间矢量选择表一般仅采用6个电压矢量， 而2个零矢量不参与控制。 图 3 直接转矩控制原理图 永磁同步电动机在定子静止坐标系下的定子磁 链可以表示为 () sss vRidt= (8) 若忽略 s Ri项，则由（12）式可以看出定子磁链 矢量 s 的终端将会沿着施加的电压矢量的方向移 动，如图4。在逆变器的每次切换期间，空间电压矢 量 s 保持不变，式(12)可以写为 （9） |0sssst v tR i dt = =+ 因此在电机运行过程中，不必对转子位置进行 检测，只是在电机启动时，需要转子磁极的初始位 置以确定定子初始磁链 |0s t = 并进行定子磁链的估 计。 图 4 定子磁链控制原理图 为了选择电压矢量以控制定子磁链幅值和旋转 速度，把空间电压矢量平面划分为6个区域 16 ， 如图5所示。 在每一区域,可以选择2个相邻的矢量来 增加或减小磁链的幅值，选择非相邻的两个空间电 压矢量，可以使定子磁链快速旋转（快速变化）。 例如，当定子磁链在区域 1 并且逆时针旋转时，矢 量可以增加磁链的幅值，矢量可以减小磁链 的幅值，并且使定子磁链快速旋转。如图5，通过选 择合适的电压矢量，就可实现对磁链 2 V 6 V s 的控制。 图 5 空间电压矢量选择示意图 由于永磁同步电动机的气隙磁场主要由转子永 磁体建立，弱磁运行时，只有增加电动机定子电流 产生的磁链与转子磁链间的夹角，通过电动机的电 枢反应减小电动机的有效磁通，使定子绕组反电势 减小，增加调速范围。但是，弱磁效应的加强意味 着电枢反应的变大，电动机定子电流增加，定子绕 组损耗增加，同时，电动机的转矩能力与电动机的 转速呈反比减小趋势。 电动机运行时，定子绕组电流要小于其额定电 流，即满足电流限制条件 22 maxsdqs iiii=+ （10） 1554 电动机弱磁运行时，绕组两端的电压要满足逆 变器的电压限制条件 ()() 22 smax V sq qs qdd df RiwL iRiwL iw+ （11） 其中，为电动机定子空间电压矢量最大 值，为电动机转子机械角速度。忽略