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

2017年7月电工技术学报Vol.32 No. 13 第32卷第13期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017

DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.L70030

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

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001）

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°。

关键词：内置式永磁同步电机无位置传感器无滤波器方波注入初始位置检测

中图分类号：TM351

Filterless Square-Wave Injection Based Initial Position Detection for

Permanent Magnet Synchronous Machines

Zhang Guoqiang Wang Gaolin Xu Dianguo

（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology

Harbin 150001 China）

Abstract 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 polarity can be identified by comparing the amplitudes of the induced d-axis high-frequency current with two given d-axis current offsets which are equal in value but opposite in direction. Experiments on a 2.2kW IPMSM sensorless vector controlled drive have been carried out to verify the proposed scheme. The experimental results show that the initial position detection for standstill and free-running rotor applications as well as the stable operation at

国家自然科学基金（51522701）和台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划（DREK2015002）资助项目。

收稿日期 2016-07-14 改稿日期 2016-12-09

第32卷第13期张国强等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 163

low speed range can be guaranteed with a fast convergence speed. The maximum position estimation

error is limited within 6.9°.

Keywords：Interior permanent magnet synchronous machine, position sensorless, filterless, square-wave injection, initial position detection

0引言

内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Machine, IPMSM）具有高功率密度、高转矩电流比的特点，已经广泛应用于工业现场、电动汽车、家用电器等领域[1]。无位置传感器控制技术能够有效减小系统体积和成本，增加系统可靠性，并能够在高温、高湿等恶劣环境场合应用，已成为当今研究热点[2-11]。根据转速适用范围不同，无位置传感器PMSM控制技术主要可分为两类：一类适用于中高速运行，主要利用基频激励的反电动势或者磁链信息进行转子位置估计，即模型法[2-5]；另一类适用于低速（零速）运行，主要利用电极凸极特性获取转子位置信息，即凸极跟踪法[6-11]，该方法能够有效观测转子位置，却不能实现磁极极性辨识。

在无位置传感器PMSM矢量控制系统中，电机所产生的最大起动转矩与磁极初始位置的准确辨识程度有关。如果磁极初始位置误差过大，那么电机带载能力受到限制，甚至出现反转现象，极端情况下会导致起动失败。因此，对于高性能无位置传感器PMSM矢量控制系统，转子初始位置的准确辨识极为重要。

目前，已有多种PMSM转子初始位置估计方法相继被提出[8-12]。其中，比较典型的方法是首先利用基于凸极追踪的方法（高频信号注入法）观测转子位置，然后利用短脉冲电压注入法或二次谐波分量法辨识磁极极性[10,11]。文献[10]采用一种基于混合信号注入的IPMSM改进转子磁极初始位置估计方法，通过注入高频旋转电压信号的方法检测磁极位置；以磁极位置初定值为矢量角，采用短脉冲注入法，往定子绕组注入两个方向相反的脉冲电压矢量，通过比较激励的d轴电流大小可以简单、有效地判断出磁极极性。该方法鲁棒性较强，然而短脉冲注入法难以确定脉冲宽度和幅值、实现困难；且该方法是独立于高频注入法磁极位置估计的辨识过程，使得高频注入法被迫中断、无持续性，因此该方法无法实现自由运行条件下初始位置检测。文献[11]利用包含转子位置信息的高频响应电流二次谐波分量实现磁极极性辨识，然而二次谐波分量信噪比较低、算法较为复杂，对硬件要求较高，且鲁棒性较差。采用正弦信号注入（旋转矢量或脉振矢量）的方法需要采用滤波环节实现载波信号分离与提取，因此算法收敛速度较慢。文献[12]提出一种基于磁路饱和效应的电压脉冲注入法，通过检测不同角度差脉冲电压矢量注入时因磁路饱和程度不一致产生的电流响应实现初始位置辨识。然而，在实际应用中，该方案受电流采样电路精度和干扰影响，位置辨识准确性受到限制。

本文提出一种基于无滤波器方波信号注入的IPMSM转子初始位置检测方法。首先通过向观测的转子d轴注入方波电压信号，采用无滤波器载波信号分离方法解耦位置误差信号，通过位置跟踪器获取磁极位置初定值；然后改变d轴电流偏置给定方向，通过比较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矢量控制系统对所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。

1基于无滤波器方波注入的磁极位置辨识

1.1方波电压注入磁极位置辨识方法

图1为基于无滤波器方波电压信号注入的IPMSM 磁极位置辨识原理框图。在观测的转子d轴注入脉

图1 基于无滤波器方波信号注入的磁极位置辨识Fig.1 Magnetic pole position estimaiton

based on filterless square-wave injection