说明书摘要
本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
摘要附图
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在??d
q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u
U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d
q -估计同步旋转坐标系的?q
轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q
轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q
轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω
，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计
的转子位置?first
θ； （4）在??d
q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u
U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>；
（5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收
敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first
θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特
征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u
α和?u β。
一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法
技术领域
本发明属于永磁电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法。
背景技术
永磁同步电机无论是采用直接转矩控制还是矢量控制，都需要精确地获取转子的位置。传统的检测电机转子位置和转速的方法中，多采用机械传感器，如光电编码器或者旋转变压器等，使得永磁同步电动机系统不能在一些环境恶劣的特殊场合里可靠地工作，如航天、水下及空调压缩机等领域。因此，无位置传感器控制技术应运而生。目前，无位置传感器控制技术根据基本原理可以分为两大类：一类基于电机反电势的基波模型，适用于中高速领域；另一类多为基于电机谐波模型，利用电机结构的物理特性或电感的饱和特性，适用于低速（零速）领域。众所周知，后者的实现难度较前者要高，是无位置传感器技术的关键。
永磁同步电机分为凸极式和隐极式两种形式，转子磁钢表贴式永磁同步电机属于隐极式，其特点为：通常情况下，交轴和直轴电感近似相等，即q d L L =。但有研究表明，在直轴上施加一定的励磁电流，随着电机磁路的饱和，会导致直轴电感变小，此时电机对外呈现出q d L L >，称为电感饱和凸极。据此，韩国学者I. H. Jung 等提出了脉动高频电压信号注入法无位置传感器控制技术，在估计的同步旋转坐标系直轴上注入高频正弦电压信号，利用电机的凸极（表贴式为饱和凸极），使得估计的同步旋转坐标系交轴上产生了一个和估算位置误差相关的高频响应电流信号，设计位置估算系统，从该高频响应电流信号中获取转子位置。
在应用脉动高频电压信号注入法作转子初始位置检测时，估计位置既可能收敛于电机转子磁极的N 极，也有可能收敛于电机磁极的S 极，因此需要对估算转子初始位置的磁极极性进行判断。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，包括如下步骤：
（1）在??d
q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u
U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d
q -估计同步旋转坐标系的?q
轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q
轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q
轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号进行PI 调节，得到估计转速?ω
，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计
的转子位置?first
θ； （4）在??d
q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u
U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>；
（5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收
敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first
θθπ+。 上述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u
α和?u β。 采用上述方案后，本发明具有以下改进：
（1）本发明在利用脉振高频电压注入法作初始位置初次估算的基础上，利
用注入的转矩扰动分量，使电机产生一个机械的扰动，根据此时估算的电机转速来判断转子磁极的极性，实现永磁同步电机任意初始位置的位置估计；
（2）本发明无需准确地电机参数和额外的硬件电路，系统简单稳定，相比较在直轴上注入正负脉冲电压判断磁极极性的方法，本发明对电机转子增磁去磁影响小；且仅就磁极极性判断而言，本发明不依赖于电机的凸极（包括饱和凸极）性，完全可以移植于其它的磁极极性判断方法上，具有良好的实用价值。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是两相静止坐标系、实际两相旋转坐标系与估算两相旋转坐标系的相对关系示意图；
图3是本发明中位置速度估计调节系统的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，包括如下步骤：
（1）建立坐标系关系图，如图2所示，d q -为实际同步旋转坐标系，??d
q -为估计同步旋转坐标系，αβ-为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差
?θθθ
?=-，其中，θ为实际位置，?θ为估计位置，且?θ的初始值为0； （2）在??d
q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，作为?d 轴电压给定，其中，mh U 表示注入信号的电压幅值，h
ω表示注入信号的角频率，?q
轴电压?0q u =，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u
α和?u β；对实际两相静止坐标系下的电压给定值进行SVPWM 调制，得到六个驱动信号，控制三相全桥逆变器，向永磁同步电机定子绕组中注入电压信号；
（3）通过检测电机的两相电流A i 和B i ，经过Clarke 得到实际两相静止坐标
系下的电流i α和i β，再利用估计位置?θ
进行Park 坐标系变换，得到估计同步旋转坐标系下的?d
、?q 轴电流，其中?q 轴电流?q i 用于估计转子的位置与转速。 位置和转速估计系统如图3所示：首先，将检测得到的?q
轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=，并经过低通滤波器（LPF ），得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?，即转子位置估计PI 调节器所需要的输入量，使输入量与估算转子误差有关；对该幅值信号进行比例-积分（PI ）调节控制，使得()0f θ?=，将此时PI 调节器
的输出作为估计转速?ω
，估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （4）重复步骤（2）和步骤（3），直至电机估算的位置收敛为一恒定值保
持不变，将此时的位置作为初次估计的转子位置?first
θ； （5）在??d
q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u
U t ω=，作为?d 轴电压给定；?q 轴注入一个正方向扰动信号，作为?q 轴给定，采用估计的转子位置?first
θ，进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u
α和?u β；对实际两相静止坐标系下电压的给定值进行SVPWM 调制，得到六个驱动信号，控制三相全桥逆变器，向永磁同步电机定子绕组中注入电压信号；
（6）通过检测电机的两相电流A i 和B i ，经过Clarke 得到实际两相静止坐标
系下的电流i α和i β，再利用估计位置?θ
进行Park 坐标系变换，得到估计同步旋转坐标系下的?d
、?q 轴电流，其中?q 轴电流?q i 用于估计转子的位置与转速； （7）重复执行步骤（5）和步骤（6），直至电机转过微小的角度γ，0γ>；此处并不刻意限定电机转过角度的数值范围，只要能判断出电机转动即可；
（8）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收
敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first
θθπ+。 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
说明书附图
图1
图2
图3
. . . . 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
永磁同步电机的参数辨识 本文主要是在逋用变频器上实现永磁同步电机的矢星控制，对于通用变频器而言，变频器所带的电机是未知的，不冋的电机有不同的电机参数.由图N3可知，要想使得永磁同步电机矢量挖制系统有较好的稳応运行特性及动态响应特性，就需蔭电机参数耕确可知.电机帯负我时的转动惯宣与转谏调节器的PI参敌幣定密切相关.而电流调书器P【塞数的确运需要电机的电松电阻、交宜轴也感、永碰休磁链尊参数*圉外学者很￥就开始研究永磁同步电机参数辨识的方法*片且生杀统”始运彳亍之挤系统可以白动通过特定的算法対永陋冋步电机慕数进fj辨识，然后对驰动器的各控制参数址行自整定，从而不需要丁程人页铲对不冋的电机而对衆动讎村黃参敎进厅手胡贷協大大増運『驱动器的適用性…本章节主突介绍永破同步电机电枢电阻Rs. dq轴电感、风碣休厳链（即反电势系数）的离线辨识（Off-lineAutoTiming）方法* 4.1电机参数的辨识原理 4.1.1电枢巾阻的辨识原理 定义电枢电阻尬为定子每爬的电阴*采用貞滾测试对电枢电阻进行参数辫识。从水磁同步电杠的基木结构可以看出，当通过逆变器旬电机施加?个方向固定、幅值不变的电压矢量时*电机的三相电流精会恨快达刊-个免定值且电机前止。由于输入的是豆流电流.定子绕组的电抗值为零，定子绩组用当于个纯电粗。下图为电枢电阳辨识实验的等盘图. 债设电流表读数为4电压表读数為U”则心?厶?厶=人=-0.5乙，子是得到琨阻的计谆表达式如下1 （4 1）4J.2交直轴电感的辨识原理 在进行电枇电駅辨讲时，当定子电液达到稳定俏后，永確同步电机的转子N极将
会转到与施加的定子电压矢量相同的位託?这时所施加空间电压矢量的位遥即为d 轴位 置。这时根振水磁冋步电机在两和旋转坐标系下的数学模型，当电机转速为零时，式 （110）可化简得到下式： di, %=RJd+Ld 才 （4.2） 对于电压阶跃输入时的电流响宜为: (43) 其中ZU/R,为稳态时的屯流值，心为屯机的电枢电阴，—为待辨识的d 轴电 感。通过记录◎的匕升过稈可计尊出肖.轴电憋。由第2章的介绍可知，对于表贴式永磁 同步电机而言，交直轴电感基本是相等的，所以只需辨识其中一个即可。 4.13反电势系数的辨识原理 单位转速下的空較反电势的电压值定义为电机的反电势系数，笊位V/Krpm ?梵计 舁公式为： K v = E/n （4.4） 其中，E 为空载反电势，单位V ： ”为对应的转速，单位Krpm 。 反电势系数其实就是转子永磁逆链，只是单位不同，永磁磁链卩/的单位是Wb, 其计算公式为屮广Eb, E 空我反电势，玳位V ； 3为转子?碇转机械角速度，单位是 rad/so 永磁磁链与反电势系数间的换算关系如下： 由反电势系数的定义就能很容易想到一种反电势系数的耕识方法，即使用另外一台 电机拖着待辨识的永磁同步电机以某一恒定转速（假设是n （单位：Krpm ）的转速）旋 转，然后测得电机的UV 端的输出电压（假设是E （单位：V ））,根据式4.4就能计算 出反电势系数。用这种方法确实能够比较粘确的辨识出永磁同步电机的反电势糸数，但 同时也能发现这种方法需耍增加的外囤设备太参（需要另外一台速度可辅确控制的电 机，以及电压测虽装置等），通用性较差，所以不太适合辨识反电势系数。 这里给出一个工程上计算PMSM 的反电势系数的经验公式，此公式是根据安川 A1000的变频器经过多台永磁同步电机的实验结果幷总结规律所得。 (4.6) JC 中，耳为电机额定功率(单JT 5?10叫 (4.5)
说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
摘要附图
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。
交流永磁同步电机结构与工作原理 2。1。1交流永磁同步电机得结构 永磁同步电机得种类繁多,按照定子绕组感应电动势得波形得不同,可以分为正 弦波永磁同步电机（PMSM）与梯形波永磁同步电机（BＬＤC）【261.正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上得安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用得电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示，定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统得电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60ｆ/p，f为电流频率,Ｐ为极对数。
图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式（又称为频率开环 控制)；另一种就是自控式(又称为频率闭环控制）[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N＃l－部电源频率得方式来调节转子得转速不需要知道转子得位置信息,经常采用恒压 频比得开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源得频率来调节转子 得转速，与她控式不同，外部电源频率得改变就是与转子得位置信息就是有关联得，转子
转速越高，定子通电频率就越高，转子得转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流） 频率得大小来调节得。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机得失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子得体积与质 量，提高了系统得响应速度与调速范围，且具有直流电动机得性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机.当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速得旋转得定子磁场，同步电机转子得转速就是与外部电源频率保持严格得同步,且 与负载大小没关系. 2。1.２交流永磁同步电机得工作原理 本系统采用得就是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成，其结构原理图如图2-2所示.在 图2-2中，50HZ得市电经整流后,由三相逆变器给电机得三相绕组供电，三相对称 电流合成得旋转磁场与转子永久磁钢所产生得磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步
基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测 Initial Rotor Position Inspection of PMSM Based on Rotating High Frequency Voltage Signal Injection 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院蔡名飞周元钧 摘要:为了解决新型无位置传感器永磁同步电机的起动问题，提出了一种在电机静止状态下检测转子位置的新方法。 该方法在算法上改进了传统的旋转高频电压注入法，使得可以更为快速、准确的检测出转子初始(均扫位置。并且针对传统旋转高频电压注人法无法检测出转子永磁体极性问题，在dq旋转坐标系下，通过分析永磁同步卜匕机d轴磁链和定子电流之间的关系，利用d轴电流的泰勒级数展开，提出J’根据定子铁芯非线性磁化特性获得判另}J N/S极极性信息的新方一案。最后，建立了系统仿真模型。仿真结果验证了这种方法的有效性和可行性。此方法同样适用于永磁同步电机在中、低速时的转子位置检测。 关键词:永磁同步电机转子初始位置旋转高频注人非线性磁化特性N/S极极性 1引言 永磁同步电机高精态、高动态性能的速度、位置控制，都需要准确的转子位置信息。如果位置检测误差较大，会导致电机不能正常起动、运行。传统方法是通过机械式传感器来测量转子的速度和位置。但机械式传感器减低了系统的可靠性，增加了系统的成本;同时传感器对环境有着严格的要求，电磁干扰、温度、湿度、振动对它的测量精度都有影响。特别针对某些航空伺服电机，长期工作在恶劣、复杂的环境中，所以研究无位置传感器不仅可 以减少航空电机成本，而且可以减少不必要的引线，将大大提高整个系统的可靠性〔‘]。 最简单的无位置传感器控制方法是文献「2]提出的基于对检测到的电机反电动势进行积分，这种方法虽然简单，但是在零速或低速阶段因为反电动太小，难以检测而失败。后来人们又提出了高频注人法，其主要思想是用电机固有的空间凸极或凸极效应可以实现对转子位置的检测，这种方法与转速没有直接关系，有效克服了反电动势法的 缺陷。文献〔3]提出通过处理电流高频响应，采取求导取极值计算电机的初始位置，但这种方法存在震荡现象，高频电流也会因滤波器移相导致检测误差，并且也没有给出电 机N/S极极性检测方法。文献【4]提出在电机中注人幅值相同、方向不同的系列脉冲，检测并比较相应电流的大小来估计转子的位置。这种方法可行但是对注入脉冲的电压幅 值和时间控制要求比较高，操作复杂，检测时间过长。文献[[5][6]通过注人高频信号引起PMSM的d,q轴磁链饱和程度差异实现初始位置检测，这种方法高频电流信号提取复 杂，容易带来计算误差，难以做到转子位置的实时检测跟踪。文献〔7l所使用的电机经过特殊设计，不具普遍性，仅适用于理论研究。 为了解决以上方法的存在的问题，本文提出了一种基于旋转高频电压注人法的永磁同步电机转子初始位置检测的新方法。在电机静止状态下，通过向电机定子三相绕组中注入高频电压信号，利用电机凸极效应，通过处理高频电流响应，得出转子的位置信号。为此，本文进行了仿真研究，实现了转子d轴位置和N/S极极性的快速、准确检测。 2高频激励下的永磁同步电机的数学模型
第一章永磁同步电机的原理及结构 永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动过程中，只有异步转矩是驱动性质的转矩，电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
采用增量式光电编码器作为位置检测元件的PMSM伺服电机，必须要在系统刚上电时就测得电机精确的初始位置。因为在永磁伺服驱动系统中，电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道，才可以按照矢量控制的一系列方程，将永磁同步电机等效变换成dq坐标系上的等效模型，系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制，从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。使用增量式光电编码器测量电机位置的伺服系统中, 系统上电后需要先检测出电机的初始位置。电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度, 而且会对电机的快速启动性能造成一定的影响。 在系统刚刚上电，电机尚未运行时，系统开始测量转子的初始位置，此过程只需要电流环工作，根据伺服系统运行要求，在寻找初始位置的过程中，只允许有很微小的抖动，并且要求很快回归原位。 假设，采用H45-8-2500-WL型光电编码器，电机转动过程中，编码器输出的信号：A（/A）、B（/B）、Z（/Z）、U（/U）、V（/V）和W（/W），如图1（b）所示。其中A（/A）、B（/B）两组信号为相差相位角的同频率信号，分辨率为2500PPR，通过判断两组脉冲的相位可以判断出电机的旋转方向，这两组信号经4倍频之后，电机空间位置的分辨率变为10000PPR。脉冲Z （/Z）是同步信号，电机每旋转一周产生一个信号，其产生的位置固定，即电机转子转到该位置时发出信号（零位信号）。 如图1所示为伺服电机混合式光电编码器的码盘结构及输出信号波形。码盘的中间码道为刻有高密度的增量式透光缝隙（2000，2500，3000PPR等），两边分布两组互成的三个缝隙，受光元件（Photo-Diode Array）接收到发光元件（LED）通过缝隙的光线而产生互差的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号U（/U）、V（/V）和W（/W）。利用这些信号的组合状态来分别代表磁极在空间的不同位置。U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U（/U）、V（/V）和W （/W）三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。这里，伺服电机极对数为4对极，则每相输出信号U（/U）、V（/V）和W（/W）的周期为空间，在每个周期中可以组合成6种状态，每种状态代表空间角度范围为。
一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估 计的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时， 收敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ 进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。
工学硕士学位论文 永磁同步电机转子初始位置估计 INITIAL ROTOR POSITION ESTIMATION FOR PMSM 胡任之 哈尔滨工业大学 2008年7月
国内图书分类号：TM351 国际图书分类号：470.40 工学硕士学位论文 永磁同步电机转子初始位置估计 硕士研究生：胡任之 导师：邹继斌 教授 申请学位：工学硕士 学科、专业：电机与电器 所在单位：电气工程系 答辩日期：2008年7月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index：TM351 U.D.C.: 470.40 Dissertation for the Master Degree in Engineering INITIAL ROTOR POSITION ESTIMATION FOR PMSM Candidate：Hu Renzhi Supervisor：Prof. Zou Jibin Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Electrical Machine and Apparatus Affiliation：Dept. of Electrical Engineering Date of Defence：July, 2008 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 永磁同步电机(PMSM)具有高效率、高功率密度、控制性能好、启动特性好等优点。然而转子初始位置的准确检测是PMSM可靠启动的必要保证。转子初始位置偏差将引起电机启动电流过大，甚至会造成电机过流或发生反转，负载较大时情况更加严重。本文针对PMSM的转子初始位置估计的问题进行了深入的研究。 基于转子预定位的PMSM初始位置估计是一种常用的方法。本文分析了转子预定位法的原理和初始位置估计精度的影响因素，采用了电流闭环的转子预定位方法，并提出平均值法来克服摩擦力引起的初始位置估计误差。该方法可以准确的估计空载条件下的转子初始位置。 针对负载对转子初始位置估计的影响，在分析转子初始位置偏差与电流矢量、电磁转矩关系的基础上，提出了基于电流矢量控制的PMSM转子初始位置估计方法。将该方法与转子预定位法相结合，可以克服极限位置下无法进行初始位置估计的问题。所提出的方法实现了较大负载条件下的初始位置估计。 针对在转子静止条件下进行初始位置估计的问题，在PMSM饱和凸极效应分析的基础上，对基于饱和凸极效应的转子初始位置估计的原理进行分析，研究了具体的实现方法。通过采用电压矢量优化和对电流矢量进行后处理的方法来提高初始位置估计的精度，实现了负载条件下的转子初始位置估计。 最后，对基于高频信号注入的PMSM转子初始位置估计方法进行了研究，分析了旋转高频电压注入法的原理，并进行了仿真验证。该方法可以在负载条件下准确地估计内嵌式永磁同步电机的转子初始位置。 关键词永磁同步电机；转子初始位置；估计；凸极效应 - I -
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内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法 作者：王高林， 杨荣峰， 于泳， 徐壮， 徐殿国， WANG Gao-lin， YANG Rong-feng， YU Yong ， XU Zhuang， XU Dian-guo 作者单位：哈尔滨工业大学,电气工程及自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001 刊名： 电机与控制学报 英文刊名：ELECTRIC MACHINES AND CONTROL 年，卷(期)：2010,14(6) 参考文献(8条) 1.RACA D;HARKE M C;LORENZ R D Robust magnet polarity estimation for initialization of PM synchronous machines with near -zero saliency 2008(04) 2.廖勇;沈朗;姚骏改进的面贴式永磁同步电机转子初始位置检测[期刊论文]-电机与控制学报 2009(02) 3.王丽梅;郑建芬;郭庆鼎基于载波注入的IPMSM转子初始位置估计[期刊论文]-电气传动 2005(03) 4.JEONG Yuseok;LORENZ R D;JAHNS T M Initial rotor position estimation of an interior permanent-magnet synchronous machine using carrier-frequency injection methods[外文期刊] 2005(01) 5.JANG Jihoon;SUL Seungki;HA Jungik Sensorless drive of surface-mounted permanent-magnet motor by high-frequency signal injection based on magnetic saliency[外文期刊] 2003(04) 6.CORLEY M J;LORENZ R D Rotor position and velocity estimation for a salient-pole permanent magnet synchronous machine at standstill and high speeds[外文期刊] 1998(04) 7.NAKASHIMA S;INAGAKI Y;MIKI I Sensodess initial rotor position estimation of surface permanent-magnet synchronous motor[外文期刊] 2000(06) 8.贾洪平;贺益康基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(15)引证文献(1条) 1.王冉珺.刘恩海永磁同步电机转子初始位置的检测方法[期刊论文]-电机与控制学报 2012(1) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/6b14785554.html,/Periodical_djykzxb201006010.aspx
高强度永磁同步电机的转子结构 —北京明正维元电机技术有限公司专利 本实用新型涉及一种高强度永磁同步电机的转子结构，它由中心轴，铁芯和附着在其外圆表面上的至少1对圆弧面形的磁钢构成圆辊状结构，各相邻两磁钢侧面之间留有气隙，各磁钢通过相应的锁紧件与铁芯构成锁紧联结结构，它解决了现有技术强度差、磁钢易被甩出，易出现事故的问题，用于制作各型永磁同步电机。 交流永磁同步调速电梯电机之特性 石正铎路子明 我国电梯性能随着计算机控制技术和变频技术的发展有很大的提高，但是异步变频电动机存在低频低压低速时的转矩不够平稳进而影响低速段运行不理想的缺点。用永磁同步调速电机替代交流异步电机，用同步变频替代异步变频可以解决低速段的缺点和启动及运行中的抖动问题，使电梯运行更平稳、更舒适，同时减小电机的体积，降低噪音。采用有齿轮电梯曳引机，当电梯制动器失灵、轿厢产生自由落体时，可利用永磁同步电机的电流制动功能保证轿厢低速溜车，为电梯安全增加了一道安全屏障。 一、永磁同步电机与异步电机的主要区别及特点 由于异步电机是靠电机定子电流为电机转子励磁的，而永磁电机转子是用永磁体直接产生磁场不需要电励磁。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、形状和尺寸灵活多样等特点。 二、交流永磁同步调速电梯电机的主要优点 1、结构简单运行可靠，由于永磁电机转子不需要励磁，省去了线圈或鼠笼，简化了结构，实现了无刷，减少了故障，维修方便简单，维修复杂系数大大降低。 2、低温升、小体积永磁同步电机与感应电机相比，因为不需要无功励磁电流，而具备： (1)、功率因数高近于1。 (2)、反电势正弦波降低了高次谐波的幅值，有效的解决了对电源的干扰。 (3)、减小了电机的铜损和铁损。 同步电机发温升小（约38K），电机外形小，体积与异步电机相比，降低一至两个机座号。 3、高效率超节能，因为功率因数高（可近似为1），又省去电励磁，减少了定子电流和定子转子电阻的损耗，效率高（94~96%），满载起动电流比异步减少一半，所以节能效果明显，用于电梯时，同步电机可节能40%以上（用户实际使用后测试结果），轻载电流小，只相当于异步电机的10%，如11KW异步电机轻载时异步电机电流10A，而同步电机轻载电流只有0.7A。 4、调速范围宽，可达1：1000甚至于更高（异步电机只有1：100），调速精度极高，可大大提高电梯的品质。
2017年7月电工技术学报Vol.32 No. 13 第32卷第13期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017 DOI: 10.19595/https://www.doczj.com/doc/6b14785554.html,ki.1000-6753.tces.L70030 基于无滤波器方波信号注入的 永磁同步电机初始位置检测方法 张国强王高林徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对无位置传感器内置式永磁同步电机（IPMSM）初始位置检测中，传统的基于凸极跟踪的短脉冲电压注入法难以确定脉冲宽度和幅值、实现困难、二次谐波分量法信噪比低的缺点，提出一种基于无滤波器方波信号注入的IPMSM初始位置检测方法。首先通过向观测的转子d轴注入高频方波电压信号，采用无滤波器载波信号分离方法解耦位置误差信息，通过位置跟踪器获取磁极位置初定值；然后基于磁饱和效应，通过施加方向相反的d轴电流偏置给定，比较d轴高频电流响应幅值大小实现磁极极性辨识；最后，通过2.2kW IPMSM矢量控制系统对提出的基于无滤波器方波信号注入的初始位置检测方法进行实验验证。结果表明，所提方法收敛速度较快，可在IPMSM转子静止或自由运行状态实现初始位置辨识和低速可靠运行，位置观测误差最大值为6.9°。 关键词：内置式永磁同步电机无位置传感器无滤波器方波注入初始位置检测 中图分类号：TM351 Filterless Square-Wave Injection Based Initial Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Machines Zhang Guoqiang Wang Gaolin Xu Dianguo （School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract With regard to the initial position detection for position sensorless interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM) drives, existing saliency-tracking-based methods have difficulties to determine the amplitude and width of the pulses for the short pulses injection method, and also have low signal-noise ratio for the position-dependent secondary-harmonics-based method. Hence, this paper presents a filterless square-wave voltage injection based initial position detection scheme for position sensorless IPMSM drives. A high-frequency square-wave voltage vector is injected in the estimated d-axis, then the position error information is demodulated through filterless carrier signal separation, and the position tracking observer is adopted to obtain the initial position. Based on the magnetic saturation effect, the magnetic polarity can be identified by comparing the amplitudes of the induced d-axis high-frequency current with two given d-axis current offsets which are equal in value but opposite in direction. Experiments on a 2.2kW IPMSM sensorless vector controlled drive have been carried out to verify the proposed scheme. The experimental results show that the initial position detection for standstill and free-running rotor applications as well as the stable operation at 国家自然科学基金（51522701）和台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划（DREK2015002）资助项目。 收稿日期 2016-07-14 改稿日期 2016-12-09
永磁同步电动机 Permanent Magnet Synchronous Motor 近些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机。 在本网“电动机系列”栏目中“同步电动机原理”一节中已讲到有永久磁铁转子的同步电动机原理模型，本节将进一步介绍永磁同步电动机的原理与结构。 永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，三相绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子示意图。 定子铁芯与绕组 下图是装在机座里的定子。 机座与定子
永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，下左图就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下右图，这是一个4极转子。 凸装式永磁转子 根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。 下左图是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。 嵌入式永磁转子铁芯 下左图也是一种嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。
嵌入式永磁转子铁芯-2下图为装上转轴的嵌入式永磁转子 嵌入式永磁转子 在转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机，见下图。
第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在 异步转矩、永磁发电制动转矩、矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引 等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动 过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其他 的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
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WoRD文档可编辑 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流， 在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上 安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥 的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子 的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步 电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步 启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的 主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过 程中转速是振荡着上升的。在起动过程中，只有异步转矩是驱动性质的转矩， 电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为 主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体 脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现 转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。 一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图 1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入 式而言，各种结构都各有其各自的优点。