基于虚拟脉振高频注入法的永磁电机初始位置检测
基于虚拟脉振高频注入法的永磁电机初始位置检测
吕晓源;刘刚;毛琨;陈宝栋
【摘要】对传统脉振高频注入法进行了分析,并在传统脉振高频注入法基础上,加入虚拟高频旋转坐标,对传统脉振高频注入法进行改进,提出基于虚拟脉振高频注入法的永磁同步电机位置检测方法.该方法和传统脉振高频注入法相比,不需要PI调节,工程实现简单,并且解决了传统脉振高频注入法的过零点问题.通过仿真和工程实验,验证了该方法的正确性和有效性.%Nowadays,the sensorless position detection method of permanent magnet synchronous are mainly divided into two types:one is based on the fundamental wave detection;the other is based on the saliency effects.This paper is mainly based on the saliency effects.It analyses the traditional high-frequency pulsating injection method and improves traditional method by adding a virtual high-frequency rotating coordinate.A position detection method of permanent magnet synchronous motor based on virtual pulse high frequency injection is https://www.360docs.net/doc/1b19297317.html,pared with traditional pulsating high-frequency injection method,this method does not require PI regulator,which can be achieved by project easily.At the same time,this method solves part of zero-corssing problems of traditional pulsating injection method.The method is verified by simulation and experimental test.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2017(032)023
【总页数】8页(P34-41)
【关键词】初始位置检测;永磁同步电机;高频注入法;虚拟高频旋转坐标
【作者】吕晓源;刘刚;毛琨;陈宝栋
【作者单位】北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京 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技
术重点实验室北京 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技术重点实验室北京 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
技术重点实验室北京 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
【正文语种】中文
【中图分类】TM301
永磁同步电机具有体积小、重量轻、能量密度高、运行可靠性高等优点，在众多领域得到了广泛应用，但其驱动系统需要实时检测转子位置。永磁同步电机传统的位置检测需要增加霍尔传感器、光电编码器等硬件，传感器的引入增加了电机结构的复杂性和制造成本。因此，永磁同步电机无传感器位置检测方法成为一个研究热点。目前，永磁同步电机无传感器位置检测方法主要分为两类：一类基于基波信号，即通过对基波中包含转子位置的信号进行提取；一类基于电机自身的凸极效应，即通过向电机绕组中注入高频信号，将电流信号中包含的转子位置信号进行提取。
文献[1,2]提出了一种利用两相定子磁链矢量与定子电压和电流的关系，通过反三角函数获得转子位置的方法，该方法运算简单，但在零速和低速下无法工作。文献[3,4]提出了模型参考自适应方法（Model Reference Adaptive System，MRAS），将含有未知参数的可调模型与不含未知参数的参考模型对比，两者同时工作并将输出的差值结合自适应率调节参数，使控制对象输出跟踪参考模型输出。但该方法建模中包含电机参数，受外界环境和电机参数的影响较大。文献[5-7]提出了滑模观测器（Sliding Mode Observer, SMO）方法，该方法结合实际控制要求建立合适的状态方程，通过调整控制量使系统向滑模面运动，估算反电动势信号并解算转子位置。该方法不受电机参数和外界环境影响，但存在抖振问题。文献[8,9]提出了扩展卡尔曼滤波法，将电机的电流、电压和位置等信息输入扩展卡尔曼滤波器中，经过扩展卡尔曼滤波运算得出调速系统的状态估计位置信息。该方法存在系统复杂、运算量大的问题，并且不适合零速。文献[10,11]提出了旋转高频注入法，该方法利用电机凸极效应，向电机α-β坐标系中注入正弦高频电压，检测高频电流响应，经过信号处理，提取转子位置信息。但该方法不适合面贴式永磁电机。文献[12-16]提出了脉振高频注入法。该方法利用电机磁饱和效应，向电机直轴注入正弦高频信号，检测交轴电流，并经过信号处理得到转子位置信息，该方法在零速和低速下有很好的效果，但存在特殊位置干扰和滤波延迟的问题。
基于以上无传感器位置检测的问题，本文在传统脉振高频注入法的基础上提出虚拟脉振高频注入法。建立高频旋转的虚拟坐标，向虚拟直轴注入高频电压，通过低通滤波和相关解算即可初步得到转子位置，再通过N-S极判断即可得到实际转子位置。该方法和传统脉振高频注入法相比，不需要PI调节，工程实现简单，减少了特殊位置判断。
脉振高频注入法多适用于表贴式永磁同步电机（Surface Permanent Magnetic Synchronized Motor,SPMSM）(Ld=Lq)。该方法利用电机的磁饱和效应，通过
向d轴注入电压使直轴电感发生变化，从而产生饱和凸极。
图 1为直轴磁链和直轴电流之间的关系曲线。图1中，id为直轴电流，ψd为直
轴磁链，ψf为转子永磁磁链。由图可知，直轴磁链处于临界饱和状态时，向直轴
通入电压（电流）可以改变该曲线的斜率即直轴电感。向直轴通入正向电压（电流），直轴电感将减小，向直轴通入负向电压（电流），直轴电感将增大，且交轴电感不变。
同步旋转坐标系下，向直轴注入高频电压信号，即
式中，udh、uqh分别为直轴与交轴注入的高频电压；uinj为注入电压信号幅值；ωi为注入信号频率；t为时间。
零速与低速下的电机在高频电压注入下，电机中的阻抗主要取决于感抗。因此，同步旋转坐标系中电压方程可近似表示为
式中，ud、uq分别为直轴与交轴电压；Ld、Lq分别为直轴与交轴电感；id、iq
分别为直轴与交轴电流。
假设高频注入法下，估计转子位置和实际转子位置偏差为∆θ，则有
式中，idh、iqh分别为直轴与交轴高频电流信号。
将式（3）代入式（2）中得
进一步求解、整理得
式中，ΔL=(Lq-Ld)/2。
该电流可以通过带通滤波来提取。将iqh乘以正弦分量-sin(itω)得
通过低通滤波，得
由式（7）可知，当f=0时，即可使θΔ=0，即估计的位置等于转子实际的位置，通过PI控制器处理即可得到准确的转子位置。传统的脉振高频注入法原理如图2
所示。图2中，uα、uβ为两相静止坐标系电压，θ为估测转子位置，g为SVPWM模块输出门极驱动信号，iABC为三相静止坐标系三相电流。
然而Δ θ ∈ [ 0,2π]，从而 f=0有四个解，分别是Δθ=0、Δθ=π/2、Δθ=3π/2和Δθ=2π。解的不唯一会带来收敛时间增长，导致起动失败，并严重影响电机的动态响应。
虚拟脉振高频注入法原理是：在转子静止状态下，假设转子具备很高的速度ωr*，建立对应的虚拟旋转坐标系，如图3所示。其中，虚线部分表示虚轴，实线部分表示实轴。
向 d*轴注入高频电压信号Uccos(ωct)，通过坐标变换将其变换到实际的同步旋转坐标系中，在同步旋转坐标系下求出对应的交、直轴电流id和iq，并将其转换到虚拟坐标系下，求出对应的交、直轴电流和。最后，将和与cos(ωct)和 cos(t)分别相乘，通过低通滤波并对滤波结果求反正切，得到转子位置。
假设电机处于静止或低速状态，虚拟直轴注入的电压频率ωc和虚拟坐标系的旋转转速远远大于实际转速，初始状态d*轴和α轴重合，则d轴和d*轴之间的夹角为(t-θ)。
同步旋转坐标系下电压方程为
式中，ωr为电机转速；ωrψf为反电动势信号；rd、rq分别为直轴与交轴电阻。电机工作在低速下，且注入的信号频率远远高于转频时，反电动势信号忽略不计。向虚拟坐标系注入高频电压信号，即
式中，分别为参考坐标系下直轴和交轴注入电压；Uc为直轴注入电压幅值；ωc 为直轴注入电压的频率。
经坐标变换，将虚拟坐标系下注入的电压转换到实际同步旋转坐标系下，得
将式（10）带入式（8），得
式中
将id和iq转换到虚拟坐标系中得到id*、iq*，即
式中，
因虚拟坐标系相对于实际坐标系有很高的转速，并远远大于电机低速下的转速，因此有
将和分别与cos(ωct)cos(2t)相乘，并通过低通滤波得到
式中，di′、qi′分别为通过低通滤波之后的虚拟直轴与交轴电流；σ为偏置角度。p、q、σ的取值分别为
从式（13）中可以看出，id′、iq′中包含正、余弦分量，故可通过对式（13）进一步解析得到转子位置。
系统解算按照arctan()=2θ-σ来进行。此时，2θ-σ∈(-π/2, π/2)。对2θ-σ∈(-
π/2, π/2)区间下低通滤波后的id′、iq′正、负进行讨论，以下令k∈N。取
进一步分析，得到 A、B的不同取值和实际的转子位置之间的关系，为
由式（16）可知估测转子位置是否要加90°的偏置关键是看低通滤波后的直轴电
流的正、负，如果B＜0，需要加偏置，否则不需要加。
可以通过永磁电机饱和效应来判断N-S极。结合永磁电机磁饱和效应：如果电机
处于磁饱和状态，向电机直轴注入正向电压时，直轴电感将减小，对应的直轴电流变化较大；向电机直轴注入反向电压时，直轴电感将增大，对应的直轴电流变化较小。因此如果向估测位置的直轴方向注入正向电压时，电流变化比反向注入时的变化小，说明需要加180°的偏置，否则不需要。
采用虚拟脉振高频注入法进行初始位置检测的原理框图如图 4所示。结合理论推
导可知，虚拟脉振高频注入法可以有效检测转子位置，省去了带通滤波环节和PI
环节，并减少了特定位置的判断。
基于本文提出的虚拟脉振高频注入法，搭建了Matlab/Simulink仿真平台，如图
5所示。在永磁同步电机 SVPWM模型基础上，加入了信号处理模块、位置解算
模块和 N-S极判断模块。仿真参数结合实验对象和多次Simulink仿真实验设置，见表 1。
通过仿真实验发现，初始位置在240°时，虚拟脉振高频注入法可以很好地估测转
子位置。相电流以250Hz频率周期变化。向d轴正向注入电压时的id变化幅值
小于反向注入电压时的变化幅值，因此在直轴判断过程中加入了180°的偏置角度。初始位置在60°时转子位置估测过程如图7所示。
仿真中，电机的初始位置设定在240°。图6为采用虚拟脉振高频注入法的转子位
置估测过程、两相电流以及交轴和直轴电流的变化过程。
结合仿真实验结果可知，采用虚拟脉振高频注入的初始位置检测方法可以很好地估测转子位置。
为验证本文提出方法的准确性和有效性，搭建了一套2.2kW永磁同步电机的实验
平台，如图8所示，左图为安装有绝对光电编码器的电机，右图为控制器。系统
采用TMS320F28335芯片作为数字处理芯片，PWM开关频率为10kHz，AD采样频率为10kHz。位置比较采用绝对式光电编码器，分辨率为12位，允许转速为3000r/min。
初始位置在30°时，转子位置估测过程、两相电流与直轴电流的变化过程如图 9所示。由图 9a可知，初始位置在30°时，采用虚拟脉振高频注入法可以很好地估测
转子位置。由图9b可知，在信号注入过程中，电机两相电流以250Hz的频率周
期变化。由图9c可知，向d轴正向注入电压时的直轴电流变化小于反向注入电压时的直轴电流变化。因此不需要加180°的偏置。
转子位置在210°时，转子位置估测过程和直轴电流变化过程如图10所示。
由图10a可知虚拟脉振高频注入法可以较准确地检测转子位置，并且具有良好的
收敛性。由图10b可知，在初始位置为210°时，正向注入电压时直轴电流的最大变化量小于反向注入电压时直轴电流的最大变化量，因此需要加180°的偏置。
初始位置分别在90°和180°时转子位置估测过程如图11所示。由图11可知，虚拟脉振高频注入法在特殊位置也有很好的判断结果。
当转子转速从0升速至200r/min时，采用虚拟脉振高频注入法的转子位置估测过程以及估测结果与绝对式光电编码器实际输出的转子位置的比较如图12所示。
由图12a可知，在低速下，虚拟脉振高频注入法可以很好地估测转子位置。由图
12b可知，低速下估测位置误差在5°以内。
本文在传统的脉振高频注入法的基础上进行了改进，通过建立虚拟高频旋转坐标系，将原有的同步旋转坐标系下的直轴电压注入改变为虚拟坐标系下的直轴电压注入，进而对电流信号进行处理得到准确的转子位置，提出了一种基于虚似脉振高频注入法的永磁同步电机位置检测方法。与传统的脉振高频注入法相比，该方法不需要
PI调节，减少了滤波延迟，并减少了特殊位置判断，仿真和实验验证了该方法的
正确性和有效性。
【相关文献】
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哈工大电机新技术论文----高频注入法
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：
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【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
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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
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
永磁电机转子位置检测方法
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
2016新编基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制
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：
永磁直线同步电机初始位置检测算法分析
永磁直线同步电机初始位置检测算法分 析 摘要：针对采用增量式光栅为位移传感器的表贴式隐极永磁直线电机伺服控 制系统，利用饱和凸极效应来检测动子初始位置。基于注入脉振高频电压后d、q 轴高频电流响应特性，并极值法计算法获得动子初始位置，并采用双脉冲电压矢 量注入对动子极性进行判断，解决了高频电压注入法无法确定动子极性的问题。 实验测量表明，采用极值法估计动子初始位置预测均方根误差为0.141 rad，结 果表明，极值法获得永磁直线电机动子初始位置的估计可以满足永磁直线电机平 稳启动要求。 关键词：直线电机；动子初始位置角；高频注入；凸极效应 同传统旋转电机相比，直线电机省去齿轮、链条等中间传动机构，可以简化 系统结构，提高效率，因此更适用于物流线、数控机床进给系统等直线运动场合。永磁直线电机具有推力密度大、效率高等优点，广泛应用于伺服控制系统中[1]。 在高性能的直线电机伺服控制系统中，对于电机的启动性能来说，电机动子的初 始位置影响比较大，尤其在高性能的直线电机伺服控制系统中，显得更加重要。 以增量式光栅尺或磁栅尺作为位移传感器的直线电机伺服控制系统中，系统上电后，无法由位移传感器直接获得动子初始位置，需要采取位置估算算法估计动子 初始位置。 科研人员不断深入研究，目前为止提出了多种针对于永磁旋转电机的转子初 始位置的估计方法。通过向定子电枢绕组中注入一系列脉冲电压矢量，比较电流 响应幅值，从而确定转子位置[2, 3]，已经有学者采用这种方法对永磁直线电机动子初始位置进行检测[4]，这种方法简单，容易实现，但是由于对电流响应幅值进行 单次采样，容易受到电流传感器采样误差影响，也有研究人员在采集电流响应的
表贴式永磁同步电机的高频脉振电压注入法
表贴式永磁同步电机的高频脉振电压注入法 1. 引言 表贴式永磁同步电机是一种新型的电机类型，其具有高效率、高功率 密度、低噪音等优点，在电动汽车、风力发电等领域有着广泛的应用。在控制表贴式永磁同步电机时，高频脉振电压注入法是一种有效的控 制策略，本文将对该方法进行全面评估，并探讨其在表贴式永磁同步 电机控制中的作用。 2. 高频脉振电压注入法概述 高频脉振电压注入法是一种用于表贴式永磁同步电机控制的方法，通 过在电机绕组中注入高频脉冲电压，可以激励出高频谐波电流，从而 实现电机电磁特性的改变，进而实现对电机转矩与速度的控制。在传 统的矢量控制策略中，由于电机的自感与电容的存在，难以实现高频 电流的注入，而高频脉振电压注入法则可以有效克服这一难题，从而 提高了电机的动态响应性能。 3. 高频脉振电压注入法的原理与特点 高频脉振电压注入法通过在电机绕组中注入高频脉冲电压，产生高频 谐波电流，从而改变电机的磁链特性，进而实现对电机的转矩和速度
的控制。其特点包括高精度、动态性能好、适用范围广等优点，在表贴式永磁同步电机的控制中具有重要的意义。 4. 高频脉振电压注入法的应用及效果 在表贴式永磁同步电机的控制中，高频脉振电压注入法可以有效地提高电机的动态性能、抑制谐波、提高效率等方面起到了重要作用。特别是在电动汽车、风力发电等领域，高频脉振电压注入法可以更好地实现电机的精准控制，提高系统的整体性能。 5. 个人观点和总结 高频脉振电压注入法作为一种先进的电机控制方法，在表贴式永磁同步电机的控制中具有重要意义。通过本文的讨论，深入了解了高频脉振电压注入法的原理、特点和应用，认识到了其对电机控制性能的重要作用。相信随着技术的不断发展，高频脉振电压注入法将在表贴式永磁同步电机控制中发挥越来越重要的作用。高频脉振电压注入法作为一种先进的电机控制方法，在表贴式永磁同步电机的控制中具有重要意义。通过在电机绕组中注入高频脉冲电压，可以激励出高频谐波电流，从而实现对电机的转矩和速度的精准控制。这种方法在电动汽车、风力发电等领域有着广泛的应用，能够提高电机的动态性能、抑制谐波、提高效率等方面起到了重要作用。
永磁电机初始位置角
永磁电机初始位置角 永磁电机是以永磁体为励磁源，具有高效、高精度等优点，广泛应用于各种领域。其中，永磁同步电机和永磁直流电机都需要通过控制电机的角度来实现运动控制。而了解永 磁电机的初始位置角则是进行控制的基础。 永磁电机的结构与工作原理 永磁电机是一种电气机械设备，它以永磁体为励磁源，将电能转化为机械能，并驱动 负载运动。永磁电机具有简单、结构紧凑、体积小、效率高、响应快等优点，广泛应用于 工业、家电、交通等领域。 永磁电机主要包括永磁同步电机和永磁直流电机。永磁同步电机采用永磁体产生磁场，通过外界的交流电源提供与转子磁场同步的三相交流电信号来实现转子转动。而永磁直流 电机则通过永磁体创建磁场，以直流电源作为控制信号来实现转子的转动。 永磁电机的转动原理是利用电机转子与电磁场之间的相互作用，使电机产生力矩来驱 动负载旋转。永磁电机的转子由永磁体和钢芯组成，通过轴承支撑，与电机的定子形成空 气隙。 永磁同步电机的定子是由三相绕组组成的，当外界交流电源提供给定子绕组一定的交 流电信号时，就会在定子内产生一个交流磁场。当转子的永磁体绕组与定子的交流磁场同 步时，就会产生一个旋转力矩，使转子开始运动。 永磁电机的控制需要了解电机的初始位置角。初始位置角是指，在控制系统开始运行时，电机转子的位置相对于定子的位置所在的角度。在永磁电机控制中，初始位置角起到 非常关键的作用。 初始位置角的确定需要通过传感器或计算得出。传感器通常采用霍尔传感器或编码器。在永磁同步电机中，初始位置角通常通过霍尔传感器来实现。在转子绕组上安装霍尔传感器，可以检测转子所处的磁场位置，从而确定初始位置角。而在永磁直流电机中，则通常 使用编码器来检测初始位置角。 初始位置角的值是一个固定的量，一旦确定，就可以用来进行电机控制。在永磁电机 控制中，初始位置角一般用来进行定位和角度估算。通过检测电机的初始位置角，可以将 电机控制信号和电机旋转信号同步，从而实现电机的控制。
永磁同步电机初始位置定位策略仿真分析
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
永磁同步电机转子初始位置角在线检测方法
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
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
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
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
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