基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测1

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: