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:
哈尔滨工业大学，电气工程系 Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology 电力电子与电力传动专题课 报告 报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术 哈尔滨工业大学 电气工程系 姓名：沈召源 学号：14S006040 2016年1月
目录 1.1 研究背景 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 系统模型 (2) 1.4 控制方法设计 (4) 1.5 系统仿真 (7) 1.6 结论 (8) 参考文献 (8)
1.1 研究背景 永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点，在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接转矩控制，而这两种控制方式都需要转子位置，但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置的造价，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点，成为近年来研究的一个热点。 1.2 国内外研究现状 无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速，取代机械传感器，实现电机闭环控制。 最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出θ和ω。该方法的基本思想是基于场旋转理论，即在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单，动态响应快，但对电机参数的准确性要求比较高，应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 (2)模型参考自适应(MRAS)方法。该方法的主要思想是先假设转子所在位置，利用电机模型计算出该假设位置电机的电压和电流值，并通过与实测的电压、电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。当该值减小为零时，则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法，位置精度与模型的选取有关。该方法应用于PMSM时有一些新的需要解决的问题。 (3)观测器基础上的估计方法。观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量，如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器:全阶状态观测器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。其中滑模观测器有很好的鲁棒性，但其在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起较大的转矩脉动。扩展卡尔曼滤波器提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分
光电编码器选型及同步电机转速和 转子位置测量3 于庆广 刘葵 王冲 袁炜嘉 钱炜慷 张程 清华大学 摘要:光电轴角编码器,又称光电角位置传感器,是电气传动系统中用来测量电动机转速和转子位置的核心部件。对绝对式、增量式和混合式光电轴编码器的工作原理进行了综述,介绍了光电轴编码器的选型原则、转子速度的测量和转子位置的测量方法。最后,给出了同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量系统的实现。 关键词:光电轴编码器 混合式轴编码器 同步电机转子位置 Choice of Optical2encoder and Measure of Speed and R otor Place of Synchronous Motor Yu Qingguang Liu Kui Wang Chong Yuan Weijia Qian Weikang Zhang Cheng Abstract:Optical2encoder,which is also called photoelectric angei2position sensor,is the core device in measurement of motor speed and rotor position in drive system.There summarize the operating principle of ab2 solute、incremental and hybrid encoder,introduce the choice principle of optical2encoder model and the measur2 ing method of rotor speed and rotor position.The implementation of measuring method of rotor speed and ro2 tor position in variable frequency speed2regulated system of synchronous motor is also given. K eyw ords:optical2encoder hybrid2encoder rotor place of synchronous motor 1 引言 光电轴角编码器,又称轴编码器或光电角位置传感器。光电轴编码器以高精度计量圆光栅为检测元件,通过光电转换,将输入的角位置信息转换成相应的数字代码,并与计算机等控制器及显示装置相连接,实现数字测量、数字控制与数字显示[1]。光电轴编码器具有较高的性能价格比,已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域,是电动机等自动化设备理想的角度和速度传感器。轴编码器主要分为增量式、绝对式与混合式3种,其中增量式轴编码器主要用于测量转子速度,绝对式轴编码器主要用于测量转子的空间位置,混合式轴编码器是增量式轴编码器与绝对式轴编码器的组合。后端加入处理芯片之后,3种轴编码器都具有测量转子速度与空间位置的功能。本文综述了光电轴编码器的种类和选型原则,介绍了转速和转子位置的测量方法;最后,给出了同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量系统的实现。 2 光电轴编码器 2.1 增量式轴编码器 典型的光电轴角编码器结构原理如图1 所示。 图1 光电轴编码器结构图 71 3清华大学大学生SR T项目(031T0144)
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。
无刷直流电机转子位置检测的新方法 作者：山东大学陈瑜黄玉王兴华 要 摘要：介绍了无刷直流电机无位置传感器转子位置检测的一种新方法。该方法利用非导通相反电势逻辑电平经逻辑处理后得到一脉冲列，采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过倍频电路计数器的计数值可以精确检测转子位置。利用数字比较技术将计数值与锁存器中的预置数值比较，可以精确控制绕组电流的最佳换向时刻。通过调节锁存器中的预置值可以方便地调节换向角，非常适用于无刷直流电机的各种控制算法。同时该方法克服了外同步起动过程中易产生的振荡和失步现象。通过实验证明该方法是正确的、有效的。 关键词：无刷电机；无位置传感器；检测 1引言 无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行。传统的位置传感器是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点： ①分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降。 ②增加了电气连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。 ③占用电机结构空间，限制了电机的小型化。 因此，无刷直流电机的无位置传感器化技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究，提出了诸多方法，主要可分为反电势法、电感法、磁链法、旋转坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波器法等［1～4］。反电势法简单、可靠，得到了广泛应用，其它方法由于计算复杂、对参数的鲁棒性差等原因应用较少。但反电势法的缺点是： ①低速时反电势小，难以得到有效转子位置信号，系统低速性能差。 ②需用低通滤波器去掉端电压中高频噪声并移相30°以满足换流要求，对滤波器要求较高，同时滤波器容易产生移相误差，而且移相误差大小与速度有关，难以补偿［5］。 ③对换相角调节困难，无法控制换相角γ（超前或滞后）的大小。 ④若采用外同步脉冲起动，当驱动信号由外同步脉冲驱动向内同步脉冲驱动切换时，由于切换点的相位误差易产生振荡甚至失步［6］。 针对以上问题，本文提出了一种新型转子位置检测的方法，以三相6拍运行的无刷直
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
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。
Performance Comparison of Permanent Magnet Synchronous Motors and Controlled Induction Motors in Washing Machine Applications using Sensorless Field Oriented Control Aengus Murray, Marco Palma and Ali Husain Energy Saving Products Division International Rectifier El Segundo, CA 90245 Abstract—This paper describes two alternative variable speed motor drive systems for washing machine applications. Three phase induction motors with tachometer feedback and direct drive permanent magnet synchronous motors with hall sensor feedback are two drive systems commonly used in North American washers today. Appliance manufacturers are now evaluating sensorless drive systems because of the low reliability and high cost of the speed and position feedback sensors. A Field Oriented Control Algorithm with an embedded rotor flux and position estimation algorithm enables sensorless control of both permanent magnet synchronous motors and induction motors. The estimator derives rotor shaft position and speed from rotor flux estimates obtained from measured stator currents and the applied voltages. Sampling of currents in the dc link shunt simplifies stator current measurement and minimizes cost. Field oriented control algorithm allows good dynamic control of torque and enables an extended speed range through field weakening. The digital control algorithm runs on a unique hardware engine that allows algorithms to be designed using graphical tools. A common hardware platform can run either the PMSM or IM using sensorless field oriented control in a front loading washer application. Test results are presented for both drives in standard wash cycles. Keywords-component; Advanced Control; Field Oriented Control Algorithm;, Appliance control architecture; I.I NTRODUCTION Accurate control of drum speed is required in both horizontal and vertical axis washer machines [1]. In front loading horizontal axis washers, the drum speed determines the washing action. There is a critical drum RPM, depending on the drum radius, above which the clothes stick to the inside edge of the drum. At this speed, the centrifugal force due to rotation balances the weight of the wet clothes. At speeds below this, the clothes will stick to the side of the drum until the component of the weight acting along the radius is greater than the centrifugal force. Once this angle is reached, the clothes fall back down into the base of the drum. The speed of the drum determines how vigorously the clothes are washed and allows a gentle wash cycle to be selected for delicate items. In the spin mode, the water is drained and the drum speed is increased well beyond the critical speed and the water forced out of the cloths by the centrifugal force. In traditional top loading vertical axis machines, the agitation action is produced mechanically using a gearbox and clutch. However, the introduction of speed control systems not only simplifies the mechanical system but also allows for wash cycle control. The control of the speed and angle of stroke allows the system designer to better manage the washing action and so develop wash cycles that use less water. European front-loading washers have used variable speed control for many years and typically use a universal ‘brush type’ motor. However, the American washer uses a larger drum size, which requires a motor with a power range beyond that of the universal motor solution. The front-loading drive solutions on the market today include direct drive permanent magnet synchronous motor drives or a belt drive using an induction motor. Appliance manufacturers are now evaluating these two drive types in top-loading machine to reduce cost and improve performance. However, both these drive systems use shaft feedbacks sensors. The direct drive PMSM typically uses a Hall Effect sensor for position feedback while the induction motor drive typically uses an analog or digital tachometer for speed feedback. The ideal universal drive can run either a PMSM or an induction motor without shaft feedback sensors. However, a single hardware platform can efficiently run either a PMSM or an induction motor using sensorless field oriented control algorithm. In both cases, speed and position estimates derive from motor terminal voltages and currents. Induction motors were initially preferred for washing machine drives because of the ease of running in high speed field weakening mode even with simple scalar control methods. However, the PMSM is now becoming a viable solution because field oriented control approach enables high speed field weakening. In an induction motor, the torque producing current flows in both the rotor and stator windings while the air gap field generation needs additional field current. Therefore, in washing mode, the total copper losses are more than double
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 -
Modeling and Analyzing of Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Machines With Optimized Magnetic Pole Shape Zhenfei Chen1,Changliang Xia1,2,Qiang Geng2,and Yan Yan1 1School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin300072,China 2Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,Tianjin Polytechnic University, Tianjin300387,China Two types of eccentric magnetic pole shapes for optimizing conventional surface-mounted permanent-magnet(PM)synchronous machines with radial magnetization are presented in this paper.An analytical method based on an exact subdomain model and discrete idea is proposed for obtaining the air-gap?ux density distribution in the improved motor.Cogging torque and back EMF analytical models are further built with the?eld solution,which provide useful tools for investigating motor performances with unequal thickness magnetic poles.The accuracy and feasibility of the models have been validated by a?nite element method.Based on the analytical models,the effects of pole shape parameters on motor performance are investigated.Results show that both pole shapes can perfect magnetic?eld distribution,decrease harmonic content of back EMF,reduce torque ripples,and improve the utilization of PMs. Index Terms—Exact subdomain model,?ux density distribution,magnetic pole shape optimization,surface-mounted permanent-magnet(PM)synchronous machine. I.I NTRODUCTION T HE surface-mounted permanent-magnet(PM) synchronous machine has been widely used in elevator,wind turbine,and hybrid electric vehicle applications due to its high ef?ciency,power factor,and torque density [1],[2].The PM pole,as a pivotal part of the PM motor, directly affects motor cost and behavior,such as magnetic ?eld,back EMF,torques,and so on.As a result,magnetic pole design is particularly important in PM motor design and has attracted lots of attention.Studies in[3]–[6]point out that the contributions of different PM parts are not uniform and magnetic pole optimization can not only improve PM material utilization,reduce magnet material cost,but also achieve more sinusoidal magnetic?eld distribution and lower cogging torque performance. The magnetic?eld calculation is an important prerequisite for the analysis of PM machines.Many methods have been proposed for magnetic?eld prediction in past few decades. In[7],the drawbacks and stability of numerical implementa-tion are discussed and a semianalytical framework is presented for solving2-D PM machine models in three different coordi-nates.Nevertheless,analytical modeling is usually much more complex for improved PM motors with optimized magnetic pole con?gurations,since the radial thickness of magnetic pole changes with the circumferential position,which makes its mathematical modeling more dif?cult than that of conven-tional magnetic poles.Several analytical methods are given in[8]–[10],which provide valuable theoretical references for magnetic pole design and analysis.Stator slotting is usually neglected or complicated pole boundary is simpli?ed to reduce the dif?culty of modeling,which also results in a low accuracy of the models. Manuscript received March3,2014;revised May11,2014;accepted May24,2014.Date of current version November18,2014.Corresponding author:C.Xia(e-mail:motor@https://www.doczj.com/doc/d210654308.html,). Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.doczj.com/doc/d210654308.html,. Digital Object Identi?er 10.1109/TMAG.2014.2327138Fig.1.PM pole shapes.(a)Conventional pole shape S0.(b)Outer arc eccentric pole shape SA.(c)Inner arc eccentric pole shape SB. In this paper,two types of eccentric magnetic pole designs are chosen for pole shape optimization of surface-mounted PM machines with radial magnetization.To solve the problem of unequal thickness magnetic pole modeling,a modi?ed subdomain model method based on discrete idea is proposed to predict magnetic?eld distribution in the air-gap.With the ?eld solution,cogging torque and back EMF models are built. The effects of magnetic pole dimensions on motor behavior are further investigated to draw some conclusions. II.A NALYTICAL M ODELING A.Eccentric Magnetic Pole Shapes Compared with the conventional magnetic pole,two kinds of eccentric magnetic pole shapes for improving the?eld distribution of surface-mounted PM motors are shown in Fig. 1.Fig.1(a)is the conventional magnetic pole shape designated as S0,Fig.1(b)is the outer arc eccentric magnetic pole shape designated as SA,and Fig.1(c)is the inner surface arc magnetic pole shape designated as SB. As shown in Fig.1,O is the center of motor and h m is the magnet thickness at the pole centerline.For conventional pole shape S0,its inner and outer arcs have the same centre O and the radial thickness does not change with position. R r and R m are the radii of magnet inner and outer surfaces,and h m=R m?R r.For the shape SA,the center of its outer arc moves to O and the radius changes to be R o.For the shape SB,the center of its inner arc moves to O ,and the radius 0018-9464?2014IEEE.Personal use is permitted,but republication/redistribution requires IEEE permission. See https://www.doczj.com/doc/d210654308.html,/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.