thProceedings 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21. 吉林大学通信工程学院，长春 130022 mczpj2001sina.comE-mail: 2. 吉林大学物理学院，长春 130022 gongymjlu.edu.cnE-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 Yimin1. College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130022 E-mail: mczpj2001sina.com2. College of Physics , Jilin University, Changchun 130022 E-mail: gongymjlu.edu.cnAbstract: 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 ()32sinsin24ps qsqfd qdenTLLLL 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；eTpndLqLdqf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 cosds=（2） sinqs=（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 dL if=+ qqL 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ddiqidqs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 ()3coscos22pse fqsqd dqndTLLLdL 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。 eT图 2 不同s下，特性图 eT -0|edT 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 1553dsf qdLLL时，电动机的转矩输出能力会随着负载角的增大而下降，即0edT dw（13） 电动机转速小于额定转速时， 电动机处于恒转矩运行区域，wnwfs=（如果电动机的凸极效应大于1， 可以对电机进行最大转矩电流 （MTPA） 控制，此时fs）；时，电动机运行于弱磁运行区域，0wwfsln nln fnwwTTwwkwwTTwww= （14） 其中，为转子额定角速度，为理想空载角速度，为负载转矩，为负载转矩。=1，电动机仍然处于恒转矩运行区域；，电动机开始 弱磁运行。当电动机的转矩给定值接近电动机的最 大输出转矩时，控制器会使电机转矩角nw0wlT0Tk1k 的 情况，从而使转矩对转矩角的导数小于零，引起系 统的崩溃。为了控制转矩给定值的幅值，设立安全 因子，1，具体取值与滞环控制器的精度有关。 4. 直接转矩控制系统的仿真（Simulation of direct torque control system） 利用MATLAB/SIMULINK工具箱建立了ISG永磁同 步电动机直接转矩控制系统的转速闭环控制模型， 并进行了相关的仿真研究。 图6-图8 给出了ISG永磁同步电动机的直接转矩 控制系统仿真的基本图形，速度阶跃给定为 500rpm，0.05s时施加负载2Nm。图 6为速度响应曲 线，图7为转矩响应曲线。初始阶段，电动机以预先 设定的最大转矩加速， 0.02s时电动机的转速上升到 速度给定值，电磁转矩迅速降为零。0.05s施加阶跃 负载2Nm，转矩快速上升到给定值，速度的波动较 小。可以看出，控制系统具有优良的动态响应，超 调较小。 图8为电动机的定子磁链 ，电动机的定子磁链 近似为一个圆形轨迹，由于磁链的控制应用滞环比 较器，磁链的值始终在给定值附近波动。 图 6 速度响应曲线 图 7 转矩响应曲线 图 8 电动机定子磁链曲线 1555图 9 速度响应曲线（弱磁） 图 10 转矩响应曲线（弱磁） 图 11 定子磁链轨迹（弱磁） 图9-图11 给出了ISG永磁同步电动机空载弱磁 运行的基本结果，转速给定为1800rpm。电动机在 0.35s时速度超过基速，电动机进入弱磁运行区域， 电动机定子磁链减小，电磁转矩按照预先设定的轨 迹减小。 ISG实验平台中， 以摩托罗拉DSP型单片机56800 为核心，通过编程实现了上述算法。ISG永磁同步电 动机是根据混合动力电动汽车实际运行需要而专门 设计的，在电动机的定子绕组内安装了三个霍尔传 感器，相互间隔60度电角度，具有较高的可靠性。 在电动机转子的旋转过程中，每隔60度电角度，三 个霍尔传感器状态可以提供转子的一个精确位置，分别是0，120，180，。当 转子旋转到这些位置时，利用电动机的电流模型 （4），对定子磁链的估计值进行校正，以减小磁链估计的误差。利用霍尔传感器信号，在软件定时器 的辅助下，可以得到电动机的转速，实现速度闭环。 ?60?240?300?图 12 PMSM转速响应曲线 图12是ISG实验平台上永磁同步电动机的转速 响应曲线，0.2s时施加速度给定700rpm， 电动机的速 度上升时间约为0.2s，满足ISG系统对电动机驱动系 统响应的要求。 图13 给出了ISG实验平台的硬件图像。 图 13 -(