第１４卷第６期电机与控制学报Ｖ０１．１４Ｎｏ．６
２０１０年６月ＥＬＥＣＴＲＩＣＭＡＣＨＩＮＥＳＡＮＤＣＯＮＴＲＯＬＪｕｎｅ２０１０
内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法
王高林，杨荣峰，于泳，徐壮，徐殿国
（哈尔滨Ｔ业大学电气３－程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：针对无位置传感器永磁同步电机控制系统起动运行困难的问题，提出一种基于混合信号注入的内置式永磁同步电机改进转子磁极初始位置估计方法。采用注入高频旋转电压信号的方法
检测磁极位置，设计一种通过ＰＩ跟踪观测器对所构建磁极位置误差信号进行控制的方案，当误差
调节至零时将获得磁极位置初判值，降低了算法的复杂性。以磁极位置初判值为矢量角，往定子绕
组注入２个方向相反的脉冲电压矢量，通过比较直轴电流大小可以简单、有效地判断出磁极极性，实现对位置初判值进行校正，从而获得转子初始位置估计值。应用所提出的估计方法对一台
２２ｋＷ内置式永磁同步电机进行实验，得到转子位置电角度平均估计误差为４．６０。
关键词：永磁同步电机；转子初始位置估计；混合信号注入；高频旋转电压信号；脉冲电压矢量中图分类号：ＴＭ３４１文献标志码：Ａ文章编号：１００７－４４９Ｘ（２０１０）０６—００５６－０５
Ｉｎｉｔｉａｌｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｆｏｒｉｎｔｅｒｉｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ
ＷＡＮＧＧａｏ－ｌｉｎ，ＹＡＮＧＲｏｎｇ－ｆｅｎｇ，ＹＵＹｏｎｇ，ＸＵＺｈｕａｎｇ，ＸＵＤｉａｎ－ｇｕｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｏｌｖｅｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｆｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｉｎｔｅｒｉｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎ—ｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ（ＩＰＭＳＭ），ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｉｎｉｔｉａｌｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｂａｓｅｄｈｙｂｒｉｄｓｉｇｎａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｉｓ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｏｔａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｉｓｉｎｊｅｃｔｅｄｉｎｔｏｓｔａｔｏｒｗｉｎｇｄｉｎｇｔｏｏｂｔａｉｎｍａｇｎｅｔ
ｐｏｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．ＡＰＩｔｒａｃｉｎｇｏｂｓｅｒｖｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｅｒｒｏｒｓｉｇｎａｌｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｒｏｔｏｒｐｏ－ｓｉｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓｉｇｎａｌｉｓａｄｊｕｓｔｅｄｔｏｚｅｒｏ，ｍａｇｎｅｔｐｏｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｔｒｅ—ｄｕｃｅｓｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ．Ｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｍａｇｎｅｔｐｏｌａｒｉｔｙｍｏｒｅｓｉｍｐｌｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｗｏｖｏｌｔａｇｅ
ｐｕｌｓｅｖｅｃｔｏｒｓａｒｅｉｎｊｅｃｔｅｄｉｎｔｏｓｔａｔｏｒｗｉｎｄｉｎｇａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｂｔａｉｎｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔ
ｓｔｅｐ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｄ－ａｘｉｓｓｔａｔｏｒｃｕｒｒｅｎｔｓ，ｔｈｅｍａｇｎｅｔｐｏｌａｒｉｔｙＣａｎｂｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｅａｓｉｌｙ．Ｔｈｅｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｅｄｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔｅｐｃａｎｂｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｇｎｅｔｐｏｌａｒｉｔｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄａｔ２２ｋＷＩＰＭＳＭ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅｏｆｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｉｓ４．６ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｄｅｇｒｅｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒｓ；ｉｎｉｔｉａｌｒｏｔｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｈｙｂｒｉｄｓｉｇｎａｌｉｎｊｅｃ－
ｔｉｏｎ；ｈｉｓｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｏｔａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌ；ｐｕｌｓｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒ
收稿日期：２００９—１ｌ一２３基金项目：国家自然科学基金（５０７７７０１３）；中国博士后科学基金（２００９０４６０８９１）；哈尔滨工业大学科研创新基金（ＨＩＴ．ＮＳＲＩＦ．２００９０４３）作者简介：王高林（１９７８一）．男。博士后，研究方向为交流电机控制技术；扬荣峰（１９７９一），男，博士，研究方向为交流电机控制技术；于泳（１９７４一），男，博士，副教授，研究方向为交流电机控制技术、电力电子技术；徐壮（１９ｒ７２一），男，博士．剐教授，研究方向为永磁同步电机控制；徐殿固（１９６０一）。男，博士，教授，博士生导师，研究方向为交流电机及控制技术、照明电子技术、电网品质控制技术、交流伺服系统、
风力发电和光伏发电技术。
万方数据第６期王高林等：内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法５７
０引言
近年来，永磁同步电机调速系统逐渐成为交流
传动领域的研究热点。按照永磁同步电机转子永磁体结构的不同，可分为表面式和内置式两种。内置
式永磁同步电机（ｉｎｔｅｒｉｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏ－
ｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ＩＰＭＳＭ）的永磁体位于转子内部，转子磁
路结构的不对称性将会产生磁阻转矩，对磁阻转矩进行控制，将有助于提高永磁同步电动机的过载能
力和功率密度，从而可以拓宽调速范围，具有较广泛
的应用领域。目前，研究低成本、强鲁棒性的无位置传感器ＩＰＭＳＭ控制方法已成为交流电机控制技术
的研究热点。无位置传感器ＩＰＭＳＭ矢量控制方式
下，所能产生的起动转矩大小取决于转子初始位置角的准确程度，如果初始位置角误差过大，将会导致
电机在起动阶段带载能力受到限制，甚至会出现反
转的现象¨。。因此，对于高性能无位置传感器ＩＰＭＳＭ矢量控制系统，获取准确转子初始位置非常
重要。
目前，已经有多种永磁同步电机转子初始位置估计方法相继被提出。较易实现的方法是基于定子
铁心非线性饱和特性的原理，按照某种顺序注入一
系列脉冲电压矢量信号来估计磁极位置，但实际电机结构的非理想性限制了其估计精确度心］。针对
内置式永磁同步电机，ＲＤＬｏｒｅｎｚ首先提出了基于
高频旋转电压信号注入的方法，可在静止状态下对转子磁极位置进行较准确地估计ｐＪ。ＳｕｌＳｅｕｎｇｋｉ提出了基于高频脉振电压信号注入的方法，目的是为
了解决凸极效应不明显的表面式永磁同步电机（ｐｅｒｍａｎｅｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｅｈｒｏｕｏｕｓｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）磁极位
置的估计［４］。传统高频旋转电压注入法是先提取负序高频电流分量，采用外差法或数字滤波等方法
获取含有转子磁极位置信息的误差信号，然后通过龙贝格观测器估计磁极位置Ｈ．５。６Ｊ。龙贝格观测器
需要建立电机机械状态方程，涉及到电机转动惯量
参数，并且需要对扰动转矩进行观测，然而很多实际应用场合中无法得知准确的电机参数。信号注入法
需要对磁极极性进行判断，用于校正检测到的磁极位置¨Ｊ，可以通过提取二次高频正序电流分量来判
断转子磁极极性ｌｓＪ，但是由于二次高频正序电流信
号的信噪比太低、算法比较复杂、对硬件电路要求较高。因此，有必要研究一种简单、可靠、实用的
ＩＰＭＳＭ转子初始位置估计方法。本文研究一种基于混合信号注入的内置式永磁
同步电机改进式转子初始位置估计方法，先通过注入高频旋转电压信号获取磁极位置角的初判值，然后将位置角初判值作为矢量角，注入２个方向相反
的脉冲电压矢量来判断磁极极性，从而得到最终的
转子初始位置角的估计值。最后，在一台２２ｋＷ内
置式永磁同步电机进行实验验证。
ｌ转子磁极位置检测方法
采用高频旋转电压注入法对ＩＰＭＳＭ转子磁极
位置进行检测，其原理是利用ＩＰＭＳＭ转子结构的凸极性，通过往定子绕组注入对称的三相高频旋转电
压信号，将会在电机内产生旋转磁场，并在定子绕组
感应出高频电流，然后通过信号处理从高频电流获取磁极位置角，如图ｌ所示。
图ｌ高频电压信号注入框图
Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｏｌｔａｇｅｓｉｇｎａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎ
在静止坐标系下，当电机定子绕组注入一高频
旋转电压矢量ｕｉ时，电机的电压模型可以表示为
Ｍ。＝Ｒ。ｉ。＋ｐ吵。，（１）
式中：尺。为定子电阻；Ｐ为微分算子；ｉ。和妒。分别为
定子电流和磁链矢量，其中妒。＝Ｌｆｉ。＋砂，ｅ肌，砂，为转子永磁体产生的磁链，０。为转子永磁体Ｎ极位置的电角度。当所注入高频信号的频率∞远大于电机额定
频率时，定子电阻将远小于高频感抗，高频电压模型
（１）可以忽略阻抗压降，电压方程可近似表示为Ｍ。。呻．。（２）
如果电机在一个极距内只有一个空间凸极，则在同步旋转坐标系中，定子电感矩阵可以表示为
Ｌ．０Ｌｓｄｑ２ｌｉＬ。Ｊ，（３）
式中厶和￡。分别表示ｄ轴和ｑ轴电感，对于内置式永磁同步电机，转子结构的凸极性使得Ｌ。＞Ｌｄ。
在两相静止坐标系下，电感矩阵可以表示为
万方数据５８电机与控制学报第１４卷
ｒＬ—ＡＬｃｏｓ２０。一ＡＬｓｉｎ２０。１Ｌ螂一【一心ｉｌｌ２以￡＋ＡＬｃｏｓ２０。Ｊ，（４）
式中：Ｌ＝Ｌｄ２＋Ｌ１表示均值电感；△￡＝—Ｌｑ虿－一Ｌｄ表示差
值电感。则定子磁链方程可以表示为
［：：】＝【Ｌ一－△Ａ￡Ｌ。ｃｉｏｎｓ２９０。。￡－＋Ａ△Ｌｓｃｉ。ｎ２。２０９，。】【：：】＋
『ｒｃｏｓ０ＴＩ－－－ｅ１【帅ｉｎ口。Ｊ’（５）
式中砂。和吵啦为两相静止坐标系下定子磁链分量；
ｉ。和ｉ胡为两相静止坐标系下定子电流分量。由于内置式永磁同步电机转子结构具有凸极性，所注入的高频电压将会在定子绕组上激励出含
有磁极位置角信息的高频电流分量，由式（２）和式（５）可以得到高频电流在两相静止坐标系下的表达
式，经化简可以得到
【：＝】＝［却Ｉ，ｐｓｉｎ。ｗ。小ｔ＋Ｉ，，５．ｉ＝０２。”－ｔｏ训ｔ）】，（６）
式中，５。和，ｌ。分别为高频电流正、负序分量的幅值，其中。志，，－ＩＩ＝Ｉ砸ＵＩ．ＡＬ耐。
所产生的高频电流负序分量含有磁极位置信
息，通过同步旋转滤波器滤除正序电流分量，提取出
负序电流分量信号，再通过信号处理可以得到转子磁极位置的初判值，信号处理过程如图２所示。以
ｔＯ。为旋转变换角，对ｉ。和ｉ蜩进行旋转坐标变换，得到旋转坐标系下电流ｉ耐ｊ和ｉ。ｉ，然后设计一个Ｂｕｔｔｅｒ－ｗｏｎｈ二阶带通滤波器对其进行滤波，滤除正序分量
和ＰＷＭ载波噪声信号，得到负序分量ｉｄ。和ｉ。。，经过坐标反变换，得到静止坐标系下的负序电流分量
ｉ。和ｉ蜘。于是，根据负序电流分量构造含有转子磁极位置误差信号６Ａ０。的表达式为
ｅＡ０。＝一ｉ。。ｃｏｓ（２０。Ｉ—ｔＯＩ）一ｉ曲ｓｉｎ（２０。ｌ—ｔｏｔ）２
ｔ。ｓｉｎ［２（参。一ｐ。）］＝，。。ｓｉｎ（２Ａ０。）。（７）
图２磁极位置检测框图
Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｍａｇｎｅｔｐｏｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ当磁极位置辨识误差比较小时，ｅＡ０。近似与Ａ０．成正比，为了降低估计算法的复杂程度，设计一
个ＰＩ跟踪器对８Ａ０．进行调节，输出为转子磁极位置的辨识值。当８Ａ０，被调节至零时，辨识值也将收
敛到实际转子磁极位置，获得转子磁极位置初判值参舯此时，台。，表示的磁极位置可能是Ｎ极，也可能
是Ｓ极，因此需要对转子磁极极性进行判断。
２转子磁极极性判断方法
采用注入脉冲电压矢量的方法来判断所获得的
初判位置角磁极的极性，脉冲注人法是基于定子铁
芯非线性磁化特性来实现，其原理如图３所示。
（ａ）磁场方向相同（ｂ）磁场方向相反
图３基于定子铁心饱和特性辨识磁极极性原理
Ｆｉｇ．３Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｏｌａｒｉｔｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｓｔａｔｏｒｉｒｏｎｎｏｎｌｉｎｅａｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
在图３（ａ）情况下，当定子绕组电流产生的磁场
砂。与转子永磁体磁场砂，方向一致时，气隙磁场等
与上述２个磁场之和，即砂。＝沙，＋砂。，因此定子铁心磁饱和程度加大，磁阻变大，绕组电感将减小。在图
３（ｂ）情况下，当妒。与以方向相反时，２个磁场相互
抵消，即砂。＝砂，一砂。，使得气隙合成磁场变弱，定子铁心饱和程度降低，磁阻变小，绕组电感将增大。根据注入高频信号获得的磁极位置初判值，往
定子绕组注入方向为台。。和舀ｄ＋１Ｔ正反方向２个脉冲矢量，如图４所示。通过比较所激励直轴电流分
图４转子磁极极性判断及补偿框图
Ｆｉｇ．４ＤｉａｇｒａｍｏｆｒｏｔｏｒｐｏｌａｒｉｔｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄ
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
万方数据
