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
图1永磁同步电机模型图
图1是永磁同步电机的模型图。在定子两项静止坐标系ap下，对应的电压方程为
L分别为电压、电流、磁链和电感;下标a、p分别表示定子a,轴分量。凡为定子电阻;P 为微分算子，。为转子电角速度。凡为永磁极磁链;e}为转子角位移。当注人高频电压信号v}, ,炸。的频率远高于额定基波频率时，电机的感抗取决于自感f81。忽略定子电阻和永磁极磁链的影响，此时，注人高频激励下的电机模型定子电压和磁链方程可以简化为: 式中：
vsi、U7分别为注入高频电压的幅值、角速度;}ai与、La午ia; ipi分别为注入高频信号在。日轴系下的磁链、电感和电流响应;L为平均电感;OL为空间调制电感。
以上是基于内埋式永磁同步电机(Lq > La)进行分析的;但是，由文献【9]可知，对面贴式永磁同步电机(La - Le)来说，在高频激励作用下，由于定子电感饱和效应的影响，其高频阻抗仍会表现出凸极效应。故以上分析得出的高频激励下的永磁同步电机数学模型具有普遍性。
3永磁同步电机转子d轴位置检测原理
观察式(6)可知，Z}、is。不仅和Br有关，还与cos(cat)有关，是一个随时间变化的量。为了准确获得高频电流信号，将i}; ,钻，电流分量通过带通滤波电路(BPF)滤波并相乘得到: IaB=i} X i};=I;ol;, sin(2Br) (7)
由式(7)可见，一旦注入高频信号幅值频率确定，高频激励下的L,也会随之确定。此时，lag的幅值仅仅只与转子位置角er相关。将检测计算出的，Ias带人式(7)求解，即可计算出转子d轴位置。但是，由于在分析时忽略了的定子电阻、永磁极磁链等其它因素的影响，在实际的系统中，根据式(7)计算出的d轴位置将会存在较大误差，为此，需要对式(7)进行修正。修正的后的公式可以表示为:
I}=};ol;; sin(2Br) ( g )
式中:K为误差修正系数。
鲜
(4)
C} J=jC a.}t一ya; cos(pt>u1 [sin(filt)
将式(5)带人式(3)化简得到高频电流信号为:
…is[is;
I;o cos(似t) +式:cos(29}一似t)
I;o sin(u1t)+7;; sin(29}一tart)
}0‘“
(5)
4永磁同步电机N/S极极性检测原理
图z永磁同步电机d轴磁链和定子电流关系
(6)式((8)仅仅包含电机转子d轴位置信息，并没有永磁
图2给出了永磁同步电机d轴磁链和定子电流的关
系。将is作二阶泰勒展开得到:
PMSM
Am—永磁体基波励磁磁场过定子绕组磁链。此时，注人高频电压信号在N/S两极的电流响应分别为高额电流信号处理转1-d轴位
图4 PMSM初始位置检测实施框图
本文对基于旋转高频电压注入法的永磁同步电机转子
初始位置检测从理论介绍，数学建模到软件仿真等3方面进
行了分析与研究，结果表明:
(1)本文提出的方法操作简单，在电机静止状态下，
该方法可以平稳、快速、准确的检测出转子初始位置，有
效克服了文献【5-9]所述方法存在的不足。对电机参数不敏感，获得的转子位置信号仅仅与处理得到高频电流幅值和
正负有关，避免了滤波器的相移对位置检测的影响，是一
种鲁棒性比较好的方法。与文献[3]所提方法相比较，检测
过程平稳，没有大的电流冲击干扰，是其检测所用时间的1/
3，误差的1/20
(2)在检测出转子的初始位置后，给出了电机从零速
开始起动到电机50%额定转速下的转子位置计算值和转子
位置实际值的波形。结果表明该检测方法在中、低速范围
内检测也有效。
(3)如果采用了合适的控制方法，就能全面实现基于
旋转高频注人法的PMSM全速范围内的无传感器运行。为
航空伺服电机朝高可靠性、小型和超小型化、高速和超高
速化发展做出了一定的探索。
通过观察，式(10)中第二项包含了转子N/S极极性
信息。
此时，在a}轴系下，包含N/S极极性信息的高频电流信号方程可表示为:
将式(11)经如图3处理后得到:
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 电机新技术 院系：电气工程及自动化 姓名： XXX 学号： XXXX 2012年5月
基于高频注入法的交流永磁同步电机的控制系统研究 摘要：电动汽车是解决能源危机和环境污染这两大难题的重要途径，因而逐渐成为新一代交通工具的主要发展方向。鉴于永磁同步电动机（PMSM ）具有体积小、效率高、功率密度高等优点，已经在电动汽车的驱动系统中得到广泛应用。为了进一步降低电动汽车电气驱动系统的成本与复杂性，并提高控制系统的可靠性，永磁同步电机无传感器矢量控制系统成为当前亟待解决的问题。本文针对这一问题，设计了基于高频注入法的永磁同步电机无传感器矢量控制系统。针对纯延时滤波、锁相环、同步轴高通滤波等环节的实现方法、参数的选取和关键技术进行了深入的分析和探讨。 关键词： 永磁同步电机 无传感器 矢量控制 高频注入 锁相环 一、 高频注入法估计转子位置和转速的基本原理 高频注入法估计转子位置和转速基本原理为：通过在电机端注入一个三相平衡的高频电压（或电流），利用电机内部固有的或者人为的不对称性使电机在高频信号激励下产生响应，通过检测高频电流（或高频电压）响应来提取转子位置和速度信息。高频注入法可以分为旋转高频注入法和脉振高频注入法，根据注入信号的性质又分为高频电压注入法和高频电流注入法，不管采用何种形式的高频注入法均要求电机内部具有凸极效应，第二章中已经介绍了本文的研究对象内置式永磁同步电机的结构，其L d < L q ，电机呈凸极特性，而且该凸极不受定子电流的影响，采用高频注入法追踪转子位置具有很强的鲁棒性。本论文采用的是旋转高频电压注入，框图如图1-1所示。下面详细分析旋转高频电压注入法估计转子位置的基本原理。 图1-1 旋转高频电压注入法框图 永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为： 0000s s u i R p u i R p αααβββψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-1） 永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为： 0000s s u i R p u i R p αααβββψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-2） 磁链方程为：
高频电压注入法的频率因素对转子位置观测器的影响分析冯坚栋;王爽;汪琦 【摘要】The influence of the frequency for the high frequency voltage signal made on estimator was studied when the initial position was estimated with the theory of high-frequency voltage injection was employed.The theory of high-frequency voltage injection was introduced to estimate the initial rotor position of PMSM.Meet the minimum injection frequency estimation convergence was deduced.The influence of injection frequency on the estimate accuracy and speed of the rotor position observer was studied theoretically and experimentally,thereby suitable range of injection frequency was developed.Experimental results indicated that the reasonable cut-off frequency and appropriate injection frequency could effectively balance the estimating speed and precision of the estimator.%研究了在运用高频电压注入法进行初始位置判断时,高频电压信号的频率对估算器的影响.介绍了高频电压注入法估算转子初始位置的原理,推导了满足估算收敛的最小注入频率.通过理论和试验研究了注入频率对转子位置观测器估算精度及速度的影响,提出了注入频率合适的选取范围.试验证明,合理的截止频率与合适的注入频率能有效地平衡位置观测器的估算速度及精度. 【期刊名称】《电机与控制应用》 【年(卷),期】2017(044)008 【总页数】5页(P54-58)
基于高频方波信号注入法的永磁同步电机转子位置检测方法李文真;刘景林;陈双双 【摘要】针对永磁同步电机(PMSM)低速段无传感器位置检测技术中,传统的高频方波电压注入法对测量误差敏感性强、易受采样延迟和逆变器非线性效应影响的缺点,提出一种新的位置误差提取方法.该方法用连续信号的解调代替传统的差分电流的解调方法,降低了系统对于采样误差的敏感性.首先,向估计的d轴注入高频方波电压,通过电流传感器得到高频电流响应;然后,利用傅里叶分解将估计的q轴电流响应分解为不同频率的正弦信号之和,将其与固定频率余弦调制波相乘后,经过低通滤波器得到转子位置误差,再通过位置跟踪器得到转子位置初始值;最后,基于磁路饱和效应,通过外加电流偏置法进行磁极极性辨识.仿真和实验结果表明,所提方法收敛速度快,对采样频率没有过高要求,对采样误差不敏感,相位延迟很小,并具有较高的检测精度. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)024 【总页数】9页(P5821-5829) 【关键词】高频方波信号注入;永磁同步电机;位置检测;傅里叶分解 【作者】李文真;刘景林;陈双双 【作者单位】西北工业大学自动化学院西安 710129;西北工业大学自动化学院西安 710129;西北工业大学自动化学院西安 710129 【正文语种】中文
【中图分类】TM351 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的出现大大提高了现代电力驱动系统的效率、功率密度和动态性能，为进一步降低成本、增强鲁棒性以及扩宽PMSM控制系统的应用领域，PMSM无位置传感器控制技术已 经成为电机控制领域的研究热点[1,2]。 在早期的研究阶段，只有基于反电动势的位置检测方法被应用于PMSM控制系统中，这些方法只在中速和高速时运行良好，而当电机处于低速和零速时，会由于反电动势太小而失效[3,4]。随着无传感器控制系统对电机起动和低速运行时高动态 性能需求的不断增加，高频信号注入法应运而生，它利用电机转子的结构凸极或饱和凸极效应，通过向电机定子绕组通入高频电压信号，提取包含转子位置信息的高频电流响应，解调后得到转子的位置信息。 文献[5]在静止坐标系下注入高频旋转电压矢量，这种方法被称为旋转正弦电压注 入（Rotating Sinusoidal Voltage Injection, RSVI）方法，该方法在静止参考坐 标系中注入了额外的高压，会引起q轴电流的波动，从而引起转矩脉动，而且在 重载情况下由于磁饱和效应会造成凸极率降低，检测精度变差。为了克服这些问题，有学者提出了脉振正弦电压注入（Pulsating Sinusoidal Voltage Injection, PSVI）方法，将高频电压注入到估计的d轴坐标系中。与RSVI方法类似，PSVI方法的 注入电压频率通常为载波频率的1/10左右[6]，因此，需要带通及低通滤波器来提取电机定子绕组电流中的高频分量和基波分量，这将降低电流环和速度环的带宽。为了提高动态性能，文献[7]提出了脉振方波信号注入方法，向估计的d轴注入方 波代替传统的正弦波信号，可提高注入信号频率到开关频率的一半，并省去用于降低噪声的低通滤波器，一定程度上提高了响应速度，但仍然需要用于获取基波电流的低通滤波器以及获取高频电流的带通滤波器。文献[8]将注入的方波信号频率提 高到开关频率，在1个方波周期内进行两次电流采样，并进行3次算数运算得到
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
基于高频脉冲电压注入的永磁同步电机无位置传感器技术研究陈长凯;曾祥君 【摘要】以隐极式永磁同步电机为研究对象，通过建立高频信号注入时永磁同步电机的响应模型，研究了基于高频脉振的方波电压注入方法，并利用三角函数运算的方式对转子角度和转速进行估计。相比传统的基于高频正弦电压注入转子位置观测方法，其可以有效减少低通滤波器的使用个数，实现转子角度的无延迟估计，提高系统的控制带宽，加快系统的快速响应性能。通过仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。%Taking the nonsalient-pole permanent magnet synchronous motor (PMSM) as research object, the responding model of PMSM with high-frequency pulse voltage injection is built, then, the square-wave voltage pulse injection method based on high-frequency vibration is researched, and the angle and rotational speed of rotor are estimated by calculating trigonometric function. Comparing to conventional high-frequency sinusoidal voltage signals injection method for observing the rotor position, it is effective to real-time observe the rotor angle, improve the control bandwidth of the system and accelerate the rapid response performance with less low-pass filter. The simulation results verify the feasibility and effectiveness of this method. 【期刊名称】《电气传动自动化》 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】5页(P1-5)
永磁电机转子位置检测方法 摘要：本文介绍了一种基于旋转变压器与AD2S1210数字变换器相结合的转 子位置检测方法。介绍了一种用于旋转变压器信号调理电路的改进建议，它具有 减小信号畸变、抑制高频干扰、提高测量准确度等优点。该方法利用测童绕组的 电压过零点和感应到的电流过零点之间的相位差来校正转子初位（初始位置）角度。通过试验，证明了调理电路的正确性，以及转子位置初始角标定的精确性。 关键词：永磁电机；转子位置；检测标定 1高速永磁同步电机转子位置检测方法 PMSM相对于异步电动机,具有体积小,质量轻,效率高,功率系数高等特点。其中,大容量低速直驱型永磁电机由于其特有的振动噪音特性,被广泛用于调查船、 科考船等特殊舰船的推进系统中。基于状态观测器的无位置传感器系统是当前国 内外学者关注的焦点,其中最受关注的有:龙贝格观测器,滑模观测器,以及扩展卡 尔曼滤波观测器。通过以上对多种无需位置传感器的转子位置探测方法进行的研 究总结发现，扩充卡尔曼滤波器的算法比较复杂，而且还涉及到矩阵的逆向运算，其计算量非常大，对单片机的要求也非常高，因此其在实际中的应用有很大的局 限性；而高频信号注入方法只能在低转速和零转速范围内有效，无法对PMSM，尤 其是HPMSM，进行全转速范围内的转子位置探测；该方法具有结构简单、算法通 俗易懂、易于数字化实现等优点，但其通常采用的PI自适应控制器，其动态和 稳定特性无法适用于高速PMSM的转子位置检测，低速时有轻微的振荡，高速时 有很大的时滞。滑模观测器方法响应速度快、算法简单、便于工程实施，且对外 界扰动不敏感，具有良好的抗干扰性和鲁棒性，但该方法在转速数万转/分钟、 乃至数千转/分钟时，仍有明显的抖振现象[1]。 综合上述各种方式的优点和不足，采用位置传感器进行转子位置探测的方式 更加直观，位置检测传感器器有两类，一类是光电编码器，另一类是旋转变压器。由于采用了光电编码器，只能获得相对位置，所以在起动过程中，还需采用其他
基于高频脉振信号注入的永磁同步电机转子初始位置辨识何忠祥;李明勇;朱磊 【摘要】基于高频脉振信号注入的转子初始位置辨识会存在收敛不成功的现象,这直接影响了电机的启动转矩.针对这一现象,本文首先建立了表贴式永磁同步电机在高频信号注入时的数学模型,并对初始位置辨识策略的收敛特性进行了分析,得出位置辨识收敛成功的限制条件,进而提出改进的初始位置辨识算法.仿真分析验证了该文理论分析的正确性和所提方法的有效性. 【期刊名称】《船电技术》 【年(卷),期】2016(036)003 【总页数】4页(P20-23) 【关键词】表贴式永磁同步电机;无位置传感器;转子初始位置辨识;高频脉振电压;收敛域 【作者】何忠祥;李明勇;朱磊 【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064 【正文语种】中文 【中图分类】TM351 永磁同步电机矢量控制调速系统由于其具有结构简单、尺寸小、功率密度高、动态性能好等优点，广泛应用于风力发电、船舶电力推进等领域。在永磁同步电机矢量控制启动过程中，转子初始位置信号通常由编码器等传感器提供，这些机械装置会
使系统的可靠性降低。转子初始位置的准确程度直接决定电机启动转矩的大小，甚至不能正常启动，因此，基于无位置传感器的永磁同步电机转子初始位置的辨识备受重视。 目前大多利用电机的凸极效应得到电机的初始位置信息，具体是指通过注入电压/ 电流信号，根据dq轴电感的差异，从电流/电压的响应中提取位置信息。文献[1] 和[2]利用磁路的饱和凸极效应，分析电感随注入电压脉冲信号、转子位置之间的 变化，通过比较响应电流的峰值获得转子初始位置，缺点是对检测硬件电路精度要求较高，并且没有分析磁滞效应等因素对电流峰值的影响。有的文献比较分析了旋转高频电压注入和脉振高频电压注入两种方法的位置辨识原理，并给出具体应用时需要考虑的因素。采用高频脉振电压信号注入时，有的文献引入动态电感的概念，将高频信号注入应用在凸极率很小的表贴式永磁同步电机（SPMSM）。通过跟踪电机的凸极效应，已经有很多永磁同步电机无位置传感器初始位置辨识策略，但初始位置辨识有时收敛不成功的根本原因却很少被研究分析。 本文以高频脉振电压注入为例，针对SPMSM首先分析因磁路饱和引起的电 机凸极效应，并根据高频激励下的永磁同步电机模型得到转子初始位置的辨识算法，进而运用稳定性判定依据得出初始位置辨识收敛成功的条件，进而提出改进的初始位置辨识算法，仿真分析验证了该文所提方法的有效性。 为了最大限度的利用铁磁材料，通常将SPMSM空载时直轴磁路的工作点设计在 y-i曲线的拐点处。因而，向直轴通入正电流id+时，铁磁材料工作点进入饱和区，直轴电感Ld减小；交轴磁路工作点通常位于不易饱和的原点，交轴电感Lq恒定。通过类似分析，可得Ld+< Ld-=Lq+=Lq-。 设为转子d轴位置辨识值，为转子d轴位置真实值，令为真实和辨识的位置差， 如图1所示。 由于高频注入信号的频率远高于电机旋转电频率，忽略电机电阻、反电动势和dq
基于旋转高频电压注入的永磁同步电机转子初始位置辨识方法杨健;杨淑英;李浩源;张兴 【摘要】内置式永磁同步电机(IPMSM)广泛采用旋转高频注入法辨识转子初始位置,但其辨识精度受到数字控制采样和计算延时、PWM输出延时以及信号解调过程中滤波器环节产生的相位延时等因素的影响.该文在对各因素产生的影响进行分析的基础上提出一种统一补偿算法.该补偿算法利用相关影响因素对正序电流和负序电流产生相位影响所具有的相关性,通过提取正序电流信号中的相位偏差,对负序电流信号的相位进行统一补偿,以提高位置观测精度.为区分转子磁极极性,提出基于电流闭环控制的饱和电感量极性判断方法.该方法在极性辨识过程中,为使电机处于静止状态,将交轴(q轴)电流控制为0,通过施加不同的直轴(d轴)电流,比较计算得到对应的电感值,并据此达到极性判断的目的.实验结果验证了误差补偿和极性判断算法的有效性. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)015 【总页数】9页(P3547-3555) 【关键词】永磁同步电机;转子初始位置辨识;极性判断;延时校正 【作者】杨健;杨淑英;李浩源;张兴 【作者单位】合肥工业大学智能制造技术研究院合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009
【正文语种】中文 【中图分类】TM351 内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Machines, IPMSM）因具有高转矩、高能量密度和高性能等优点在新能源电动汽车等领域获 得广泛应用[1-3]。然而，电机的自起动能力的缺失致使在电机转子初始位置不能 准确获得的情况下，可能会出现起动过程中电机转子“反转”、起动失败等起动异常情况[4,5]。因此，转子初始位置辨识的精度和可靠性成为永磁同步电机驱动系 统的技术关键。 通过位置传感器获得转子位置的方法不仅增加了系统成本，而且降低了系统的可靠性。为此，永磁同步电机无位置传感器控制方案的研究已成为近年来学术界研究的热点和难点。相比基于基波模型的转子位置辨识方案，高频信号注入法的参数鲁棒性高、低速、零速辨识能力强的优点使其成为中、低速运行范围的主流转子位置辨识方案。高频注入法的本质是利用电机转子凸极结构或者凸极效应所产生的调制作用实现转子位置的辨识[6-8]。根据注入信号的类型和参考坐标系的不同，高频信 号注入法可分为静止坐标系下的旋转高频注入法[9-11]和旋转坐标系下的脉振高频注入法[12-14]两类。 相比于脉振高频注入法，旋转高频注入法因对运行过程中参数变化不敏感，且易于工程实现，广泛应用于永磁同步电机零、低速运行时的位置鉴别[15-17]。然而， 该方案的位置辨识精度受到数字滤波器所产生的解调延时[18]和数字控制采样、计算以及PWM输出等所产生的控制延时两方面因素的影响较大。文献[19]通过配置低通滤波器在信号解调通路中的位置，提升转子位置观测精度，但效果较为有限。文献[20]采用纯延时方案对高频信号进行提取，却不能滤除调制所产生的高次谐波，且多个延时环节使得相关补偿措施难以实施。文献[21]忽略PWM调制所引起的滞
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 【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°.%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
此主题相关图片如下： 式中：为静止d-q坐标系中注入高频载波电压，为载波电压矢量幅值。 SPWM电压源型逆变器供电拖动系统中，可以逆变器将高频载波信号直接加电机基波励磁上，如图1所示。此时，电机端电压为 此主题相关图片如下： 式中：为基波电压矢量幅值。 此主题相关图片如下： 图1 电流型PWM电压源逆变器高频信号注入法原理图 高频载波信号频率一般取1kHZ左右，远远高于基波频率，载波电压信号励磁时，电机阻抗主要取决于电机自感，此时电机模型可以简化为 此主题相关图片如下： 电机每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极，那么以基波频率同步旋转d-q坐标系中，电机定子电感可以表示为 此主题相关图片如下： 静止d-q坐标系中，上式可以进一步转化为
此主题相关图片如下： 式中：为定子平均电感，为定子微分电感，为以电角度表示凸极位置。 载波电压矢量作用有凸极效应电机中，产生出载波电流矢量包含有正相序和负相序两个分量，即 此主题相关图片如下： 式中载波电流正、负相序分量幅值分别为： 此主题相关图片如下： 其中，正相序分量不包含位置信息，其幅值与平均电感成正比；负相序分量包含位置信息，其幅值与微分电感成正比。 提取载波电流负相序分量相角中包含凸极位置信息，必须滤除基波电流和载波电流正相序分量。基波电流与载波电流频率相差较大，可简单采用带通滤波器滤除。载波电流正相序分量与负相序分量旋转方向相反，可以先将载波信号电流转换到与载波信号电压同步旋转参考坐标系中，使载波电流正相序分量呈现成直流，再利用高通滤波器将其滤除。这种同步高通滤波器框图如下列图所示： 此主题相关图片如下： 图2 同步高通滤波器 滤除定子电流基波分量和正相序载波电流分量后，可利用转子位置跟踪观测器实现转子空间位置自检测。跟踪观测器采用外差法，单位幅值载波电路负相序分量与实际载波电流负相序分量矢量叉乘获转子位置误差信号。即 此主题相关图片如下： 此主题相关图片如下：
永磁同步电机转子初始位置角在线检测方法 陈程; 陶泽安 【期刊名称】《《电机与控制应用》》 【年(卷),期】2019(046)006 【总页数】5页(P102-105,111) 【关键词】永磁同步电机; 转子位置; 脉冲激动电压 【作者】陈程; 陶泽安 【作者单位】江西工埠机械有限责任公司江西樟树331200 【正文语种】中文 【中图分类】TM351 0 引言 永磁同步电机(PMSM)因具有高效、节能、体积小等优点，在工业领域的多种场合得到广泛应用[1-2]。PMSM的高性能控制需要电机转子的位置信息，对于无位置传感器的应用场合，电机在每次起动前均必须首先识别转子的静态初始位置角，才能实施进一步的控制，而对于有位置传感器的应用场合，在位置传感器安装完成后，也需要进行转子初始位置标定，才能将位置传感器的输出数据与转子位置建立关联[3]。 电机初始位置检测的常用方法有：脉冲电压法、转子预定位法和高频信号激励法。脉冲电压法采用向绕组中注入一系列脉冲电压矢量，比较电流响应的幅值，寻找电
流幅值最大的电压矢量，再细分逼近转子位置，但随着转子位置不断逼近，电流响应的幅值差异越来越小，幅值判断变得困难，而且位置估算精度会受到电流采样误差以及分辨率的影响[4]。转子预定位法通过将转子位置锁定在几个不同的特殊角度，从而推算出转子的位置角，但是对于起重机、新能源车辆等应用场合，电机转子初始状态可能是带载锁定或抱闸的，因此无法实施[5]。高频信号激励法是通过 变频器发送一系列的高频激励信号，利用电机的凸极效应，提取电流响应信号中的一些特征来判断转子初始位置，但算法复杂，对系统运算能力要求高，不易实现，而且只适用于凸极电机[6]。 为了克服现有转子初始位置角测量方法误差大、算法复杂、对转子移动性有特殊要求、适用范围不广等缺点，从PMSM的绕组结构、磁场特性以及物理模型入手，推导电机静态定子绕组电感与转子位置角之间的关系，以及转子的极性与响应电流的关系，进而利用变频器产生激励电压来实现PMSM转子初始位置角的在线辨识。 1 PMSM转子初始位置角测量方法 1.1 原理分析 对于定子绕组结构为Y型的PMSM，定子绕组的静态物理模型如图1所示。 图1 PMSM定子静态等效物理模型 根据PMSM的原理，可以推导图1中PMSM定子三相自感的表达式为[7] (1) 式中: LAA、LBB、LCC——绕组A、B、C的自感； θ——转子位置的电角度； LA——空间基波气隙磁通导致的自感分量。 永磁体的磁导率和空气磁导率相接近，转子铁心由于开槽的原因，导致气隙不均匀，因此LB·cos(2θ)代表转子凸极效应引起的自感分量，LB代表该自感分量的基波，
基于相电流正负序分量相角差的高精度内置式永磁同步电机转 子初始位置检测方法 刘景林;鲁家栋 【摘要】On the basis of the research on static initial position detection technology of interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM),a new high-precision method based on high-frequency signal injection is suggested.In the proposed method,a high-frequency rotating voltage was superimposed in the control voltage first,then the high-frequency current component was obtained by band-pass filtering of the three-phase current signal,and the positive and negative sequence components of high-frequency current response were separated by using synchronous rotating coordinate transformation,the phase of positive and negative sequence components of the three-phase high-frequency current response was extracted by the least square algorithm,the rotor position was obtained by using the difference of arbitrary phase current of positive and negative sequence components phase.Finally the NS poles was distinguished by using motor magnetic saturation effect.The method has high-precision detection accuracy,and the average detection error is about 1.73 degrees(electric angle).The experimental results show the correctness of the proposed method.%对内置式永磁同步电机(IPMSM)转子静止初始位置检测技术进行研究,提出一种基于高频信号注入法的高精度IPMSM初始位置检测方法.该方法通过向电机绕组中注入高频旋转电压信号,通过带通滤波器得到高频电流响应,利用同步旋转坐标变换将高频电流响应的正、负序分量进行分离;然后分别对三
永磁同步电动机转子位置辨识 摘要 永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous Machine, PMSM)由于无需励磁电流、体积轻便、运行效率很高，在工业领域得到越来越广泛的应用。只有知道了精确的转子位 置信息，才能实现永磁同步电动机转子磁场定向的运动控制。在传统的永磁同步电动机运 动控制系统中，通常采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置。然而，这些传感器 增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。因此，无传感器检测永磁同步电动机转子 位置已逐渐成为热点。 本文阐述了永磁同步电动机的发展历程、永磁材料的发展，以及它的结构、工作原理 和特点等。介绍了永磁同步电动机转子位置检测的常用方法分两种：即直接方式检测和间 接方式检测。直接方式可分为：旋转变压器法、磁编码器法、光电编码器法；间接方式可 分为：电感法、磁链法、假想坐标系法、基于各种观测器的估算方法、卡尔曼滤波器法、 高频注入法和人工智能理论基础上的估算方法。 针对本课题主要做了以下研究工作：在构建其数学模型的基础上，深入分析电机定子 电感的饱和效应，得出旋转高频电压注入法能够准确跟踪转子凸极位置，但其存在不能确 定估算结果是N极还是S极位置的问题。对于这个问题,本文又分析了永磁同步电机定子 电流对电机磁路饱和度的影响，根据旋转电流矢量幅值变化特性，提出了一种判定转子永 磁体N/S极极性的方法，解决了常规高频注入法所存在的估算结果可能反向的问题。 关键词：永磁同步电动机；高频电压注入；转子位置检测 ABSTRACT As the permanent magnet synchronous motor without excitation current, volume light, high efficiency, more and more widely in the industrial fields of application. Only know the exact rotor position information, to achieve permanent magnet synchronous motor rotor flux orientation motion control. In a traditional permanent magnet synchronous motor motion control system, usually optical encoder or resolver to detect the rotor position. However, these sensors increase the system cost and reduced reliability of the system.
永磁同步电机初始位置定位策略仿真分析 肖海峰 【摘要】该文在分析永磁同步电机数学模型的基础上,针对永磁同步电机起始位置检测方法依赖电机参数及精确的电流相位检测复杂等问题,提出了一种检测电机转子位置的新型检测方法.该方法借助普通光电编码器实现永磁同步电机转子磁极所在空间矢量扇区的初步辨识,根据扇区给定相应的电流指令使电机转子从静止状态起动,并产生较短时间内的微小抖动,当检测到编码器Z信号实施位置检测误差校正.仿真结果表明,该方法具有简单易实现且不依赖电机参数及复杂算法的优点,初始位置辨识过程中电机转子无明显抖动,检测结果准确. 【期刊名称】《自动化与仪表》 【年(卷),期】2018(033)012 【总页数】4页(P89-92) 【关键词】永磁同步电机;初始位置;编码器;电机参数模型 【作者】肖海峰 【作者单位】西安航空学院电子工程学院,西安710000 【正文语种】中文 【中图分类】TP273 永磁同步电机通常应用于高精度运动控制场合中，控制系统对电机的动态响应及位置定位要求很高。因此，永磁同步电机的位置快速精准控制是伺服系统性能的重要
指标，电机位置精准控制的前提是电机初始起动位置的辨识[1-2]。 通常情况下，永磁同步电机初始位置的检测分为3种方法：①利用绝对值编码器或辅助器件得到转子绝对位置，这种方法成本较高；②利用电机的空间凸极效应，通过向绕组注入短暂高频电压信号，根据响应电流来计算转子位置信息[3-6]。基于注入高频电压进行初始位置检测的已有方法对电机参数依赖性强，且需要利用锁相环或观测器等方法提取电流相位以计算转子位置信息[7-8]，算法都较复杂，转子位置信息易受到干扰而不适合实际应用。或者利用磁饱和特性给电枢绕组施加相同幅值、不同相位的电压矢量，当电压矢量和转子位置一致时，直轴电流响应幅值最大。通过观测直轴电流响应判断电机初始位置[9-12]，但是该方法电流检测电路要求较高；③通过检测三相绕组的电压或者电流来计算转子位置，该方法的本质是基于电机反电动势实现的，也需要精确的电流采样[13-14]。 本文提出了一种借助普通光电编码器实现永磁同步电机转子磁极初始位置的初步辨识的方法，该方法利用编码器U、V、W信号获取转子磁链初始位置所处的空间矢量扇区，根据扇区给定初始电压信号使电机起动，给定电压信号随着扇区的变化而变化，当Z信号被检测到对转子初始位置估计误差进行补偿。该方法能准确检测到转子磁极的位置信息，同时满足电机从静止状态起动的要求，且实现简单。 1 永磁同步电动机数学模型 在dq坐标系中，永磁同步电机的电压方程为[15] 式中：D 为微分算子；R 为定子电阻；Ld、Lq为 d、q 轴电感；ωr为转子电角速度；ψf为永磁体磁链。 旋转坐标系下的电机定子磁链方程为 旋转坐标系下的电机电磁转矩方程为
基于新型高频注入法的表贴式永磁同步电机转子初始位置检测 方法 洪琨;刘刚;毛琨;吕晓源;周新秀 【摘要】针对表贴式永磁同步电机,提出了一种基于虚拟脉振高频注入法结合载波频率成分法的转子初始位置检测方法.该方法在传统脉振高频注入法的基础上,加入虚拟高频旋转坐标,对传统脉振高频注入法进行了改进;同时,引入载波频率成分法作为转子磁极判断依据.通过仿真和工程实验,对该方法进行验证.实验结果表明:与传统的脉振高频注入法相比,该方法不需要PI调节,易于工程实现,并解决了部分传统脉振高频注入法的过零点问题;与传统的磁极判断方法相比,该方法实施过程简单,准确性高,算法执行时间短. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)013 【总页数】9页(P2914-2922) 【关键词】表贴式永磁同步电机;位置检测;凸极效应;虚拟脉振;载波成分 【作者】洪琨;刘刚;毛琨;吕晓源;周新秀 【作者单位】北京航空航天大学惯性重点技术实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191;北京航空航天大学惯性重点技术实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中
心北京 100191;北京航空航天大学惯性重点技术实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191;北京航空航天大学惯性重点技术实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191;北京航空航天大学惯性重点技术实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191 【正文语种】中文 【中图分类】TM301 0 引言 近年来，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）以其体积小、重量轻、能量密度高、运行可靠性高等优点而受到广泛关注[1-4]。其中，PMSM的无传感器控制技术更是成为电机控制领域的研究热点。 对电机进行调速控制首先需要获得转子的准确位置。目前，永磁电机无传感器控制方法大致分为两类：一是基于提取电机基波信号[2-5]；二是基于电机凸极跟踪[6-13]。由于电机在起动和低速运行时基波信号信噪比很低，通常难以提取，从根本上导致了第一类方法在电机起动和低速运行时失效；第二类方法利用电机结构凸极特性或定子电感饱和特性，一般通过向电机三相绕组加入外部高频激励，通过检测该激励的电流响应来跟踪电机的凸极位置。这类方法不适用于中高速。 由于电机静止时无传感器控制方法难以提取转子位置信息，并且转子初始位置估计失准会导致电机无法正常起动，甚至反转。因此，转子初始位置检测是永磁电机无传感器控制技术的重要环节。文献[6-8]提出了旋转高频信号注入法，利用电机凸
电动汽车用永磁同步电机转子初始位置检测 章明霞;王志强;陈炜;张国政 【期刊名称】《新型工业化》 【年(卷),期】2017(007)010 【摘要】永磁同步电机在新能源汽车特别是电动汽车上的应用越来越广泛,针对永磁同步电机起动时需要准确的转子初始位置信息,提出一种内置式永磁同步电机转子初始位置检测方法.该方法是基于高频电压信号注入的,通过对旋转高频电压信号的电流响应进行低通滤波,得到电流响应幅值,根据电流幅值与转子角θ的关系,用一种简单的线性公式得到θ,降低了算法复杂性.最后利用电机磁路的磁饱和效应来区分转子NS极,从而通过校正位置初判值得到转子初始位置检测值.仿真结果表明,该方法可以准确检测出电机转子初始位置,对电机参数依赖性低,检测误差小. 【总页数】8页(P49-56) 【作者】章明霞;王志强;陈炜;张国政 【作者单位】天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心,天津工业大学,天津300387;天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心,天津工业大学,天津300387;天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心,天津工业大学,天津300387;天津市电机系统先进设计与智能控制技术工程中心,天津工业大学,天津300387 【正文语种】中文 【相关文献】
1.永磁同步电机转子初始位置检测 [J], 苑旭东;张道洋;郭林 2.永磁同步电机转子初始位置检测及启动策略 [J], 丁志勇; 3.基于电压矢量注入的表贴式永磁同步电机转子初始位置检测 [J], 李向舜;周贺;李启东;刘涛 4.永磁同步电机转子初始位置检测技术研究进展 [J], 李抑非;蒋全 5.基于高频信号耦合注入的内置式永磁同步电机转子初始位置检测方法 [J], 李新旻;陈伟;张国政;王志强;陈炜 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买