1內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與比較

1、內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與比較，琛(交通大學(xué)電氣，100044)摘要：在永磁同步電機(jī)的矢量控制中，轉(zhuǎn)子初始位置估算誤差會對電機(jī)的啟動(dòng)和控制性能產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。在轉(zhuǎn)子的前提下，目前常用的估算方法總體上可以分為電壓脈沖注入法、高頻電壓注入法等兩大類。本文從多個(gè)角度對其中三種廣泛采用的方法進(jìn)行了綜合的對比研究，分析了死區(qū)時(shí)間，控制延時(shí)等非理想對于各種估算方法的結(jié)果所產(chǎn)生的影響，并且根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略。分析顯示電壓脈沖注入法中的逐次 近法和高頻電壓注入法中的脈振電壓注入法的精度相對更優(yōu)，前者實(shí)現(xiàn)方式簡單，但估算時(shí)間較長；后者估算時(shí)間快，并且受非理想的影響最小。實(shí)驗(yàn)

2、結(jié)果驗(yàn)證了分析和研究的結(jié)論的準(zhǔn)確性。：永磁同步電機(jī)；初始位置；高頻電壓注入；電壓脈沖注入Research and Comparison of Initial Rotorition Estimation Methods for In-terior Permanent Magnet Synchronous MotorHAN Songshan, YOU Xiaojie, ZHOU Minglei，WANG Chenchen(School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, 100044, China)Abstract: In

3、 vector control of permanent magnet synchronous motor, the error of initial rotorition has serious influence on starting and controlperformance. The widely used initial rotorition estimation methods can be dividedo two categories generally: voltage pulse injection based methodand high-frequency volt

4、age injection based method. This pr does a comprehensive comparative study on three most popular methods, andyzes theeffects of nonlinear factorch as dead time and control delays on estimated results. Improvement strategies are also proed based on theysis results.ysis showst the sucsive approximatio

5、n method and pulsating voltage injection method is relatively better. The former method is simple to achieve,but the estimated time is longer; The latter one can get faster estimate time and nearly isnt affected by non-ideal factors. Theysis ands wereverified by experimental results.Keywords: Perman

6、ent magnet synchronous motor; Initial rotorition; Carrier-frequency voltage injection methods; voltage pulses injection methodPMSM 的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)被成功的應(yīng)用于地鐵和高速動(dòng)車組1。本中主要對內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)（ erior permanent magnet synchronous motor, IPMSM）的初始位置檢測方法進(jìn)行研究。在永磁電機(jī)的矢量控制中，轉(zhuǎn)子引言相較于異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)（permanent magnetsynchronous motor，

7、PMSM）具有體積小、效率和功率因數(shù)高、寬調(diào)速范圍等優(yōu)點(diǎn)。隨著 PMSM 的控制和設(shè)計(jì)技術(shù)的提高，PMSM 的應(yīng)用場合也不斷擴(kuò)展，目前基于初始位置角的準(zhǔn)確程度對于電機(jī)的啟動(dòng)和控制性能將產(chǎn)內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與比較生顯著影響。誤差較大時(shí)，電機(jī)可能啟動(dòng)失敗或者反轉(zhuǎn)。其中： L L L2 ，L L L2 ；u 、udqdq而即使在有位置傳感器的場合下，受到位置傳感器安裝和i 、i 分別為定子電壓、電流在 - 坐標(biāo)系下的分量； Rs 為定子電阻；p 為微分算子；Ld、Lq 分別為 d、q 軸電感；r 為轉(zhuǎn)子角度； f 為永磁體磁鏈。式(1)表明，電機(jī)電感矩陣中包含轉(zhuǎn)子位置信息，

8、可以用于計(jì)算轉(zhuǎn)子角度，這正是零速下轉(zhuǎn)子初始位置角估精度的影響，也需要檢測初始位置對測量結(jié)果進(jìn)行校正。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)針對該問題開展了廣泛的研究，大量文獻(xiàn)。總體上可以分為以下幾類：1）預(yù)定位法2；2）電壓脈沖注入法3-8；3）高頻電壓注入法9-12。文獻(xiàn)2中介紹了預(yù)定位法，其原理是向電機(jī)注入固定方算的基本原理。但是因?yàn)樵摻嵌刃畔?2 倍的轉(zhuǎn)子位置角（ 2r ）， 最終也只能計(jì)算出2r 。通常還需要利用電機(jī)的飽和特性來進(jìn)一步區(qū)分r 和r 兩個(gè)角度（永磁體N 極、S 極）。圖 1 是 IPMSM 在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 d 軸磁化特性曲線10。圖中橫軸為 d 軸電流，縱軸為 d 軸磁鏈，曲線的斜

9、率即為 d 軸電感。如果不考慮飽和效應(yīng)時(shí)，磁鏈和電流之間呈線性關(guān)系，d 軸電感固定。而實(shí)際上 d 軸正方向電流的增大會加劇定子鐵芯的飽和程度，導(dǎo)致 d軸電感減小。反之，d 軸負(fù)方向電流的增大，會導(dǎo)致 d 軸向的電流矢量，從而將轉(zhuǎn)子定位到指定角度。對于電機(jī)不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)的場合，例如動(dòng)車組或者地鐵列車，該方法顯然并不適用。電壓脈沖注入法又可以分為兩類：文獻(xiàn)3-5中通過注入不同角度的電壓矢量求解定子電感，再從定子電感中直接計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，文中將其稱之為直接計(jì)算法。文獻(xiàn)6-8則是通過比較具有相同幅值，不同角度的電壓矢量的響應(yīng)電流的幅值來確定轉(zhuǎn)子角度，將其稱之為逐次 近法。文獻(xiàn)9-15中介紹的高頻電壓注入法

10、，具體可以分為高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法、高頻脈振電壓注入法。該類方法通過推導(dǎo)高頻響應(yīng)電流與注入電壓和電感的增大。轉(zhuǎn)子角度的關(guān)系，將高頻響應(yīng)電流經(jīng)過相應(yīng)的信號處理 d算法之后，即可計(jì)算出轉(zhuǎn)子角度。相對于其他方法，高線性頻電壓注入法計(jì)算速度快，并可應(yīng)用于電機(jī)低速時(shí)無位飽和 f置傳感器控制。文中主要對廣泛使用的逐次 近法和兩種高頻電壓注入法進(jìn)行分析、比較，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，最id后通過實(shí)驗(yàn)對各種方法及其改進(jìn)措施進(jìn)行了驗(yàn)證。圖 1 轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PMSM 飽和特性曲線1 轉(zhuǎn)子初始位置檢測基本原理Fig.1 The saturated curve of PMSMhe rotor reference

11、frameIPMSM 的定子電感隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化。目前大為了進(jìn)一步分析飽和效應(yīng)對響應(yīng)電流的影響，在部分方法都是基于此特性來提取轉(zhuǎn)子位置信息。在 -坐標(biāo)下，IPMSM 轉(zhuǎn)速為零時(shí)的電壓方程為1：0， f 這一點(diǎn)將 d 軸磁鏈利用公式展開至二階：u R0 i1 d 2su 0R i d 20 i(2) s dd2 di2(1)d L L cos 2rL sin 2r L L cos 2 pi ， d 2 d0 di0 0 。在2其中 Ldi L sin 2pidddddr r計(jì)算得到轉(zhuǎn)子角度的基礎(chǔ)上，可以利用這一特性來檢測轉(zhuǎn)子的極性。U 2t2U 2t2 L L2 I 2(5) L L m2L

12、 22 逐次近法及其改進(jìn)措施22d當(dāng) r 2 或r 3 2 時(shí)，響應(yīng)電流幅值最?。合螂姍C(jī)注入等寬電壓脈沖檢測初始位置的方法主要有兩類。直接計(jì)算法是利用注入電壓的響應(yīng)電流求解定U 2t2U 2t2 L L2 I 2(6) L L m子電感，再用定子電感解得轉(zhuǎn)子位置；逐次 近法是先2L 222q后向電機(jī)注入一系列角度不同的等寬電壓脈沖，通過比考慮到電機(jī)的飽和效應(yīng)，電壓矢量角度為r 時(shí)的響應(yīng)電流略大于角度為r 時(shí)的響應(yīng)電流。依據(jù)這一原理可以確定轉(zhuǎn)子位置。注入電壓矢量的幅值可以根據(jù)電較其響應(yīng)電流的幅值來確定轉(zhuǎn)子位置。前法對 AD采樣精度要求較高，同時(shí)其計(jì)算精度受飽和特性影響，精度相對較低。所以文中主要

13、對逐次 近法進(jìn)行介紹。機(jī)參數(shù)以及直流母線電壓來綜合確定。2.1 逐次 近法基本原理對于 IPMSM，d，q 軸電感之間存在差異，如果注入相同幅值、角度不同的電壓矢量，響應(yīng)電流的幅值將隨141210著電壓矢量角度的變化而變化。角度越接近轉(zhuǎn)子角度，86響應(yīng)電流的幅值也就越大。即使對于表貼式永磁電機(jī)，4飽和效應(yīng)同樣會導(dǎo)致 d、q 軸電感的差異，利用這一特性200也可計(jì)算得到轉(zhuǎn)子角度。因此，該方法也可應(yīng)用于隱極機(jī)的初始位置檢測6。在 - 坐標(biāo)系下，注入的電壓矢量可表示為下面的形式： U cos50100150200250300電壓脈沖角度（Deg）350圖 2 r 90.50 時(shí)響應(yīng)電流幅值隨電壓矢量

14、角度變化規(guī)律Fig.2 The change rule of the currentlitudes when voltageupluses angle changes(3)u U sin 圖 2 是每隔10向電機(jī)注入幅值相等的電壓矢量后得到的電流幅值變化規(guī)律。可以看到每個(gè)周期有兩個(gè)電流峰值，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置角r 和r 。在得到初步的位置角之后可以通過在該角度周圍以更小的角度間隔式中U 是注入電壓的幅值、 是注入電壓矢量的角度。將其代入到公式(1)中，考慮到注入的電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間很短，是一個(gè)高頻分量，定子感抗遠(yuǎn)大于電阻，因此可以忽略定子電阻壓降、用電流的變化量除以時(shí)間發(fā)同樣幅值的電壓矢量來得到

15、更精確的角度信息。近似作為電流的微分。通過推導(dǎo)可以得到響應(yīng)電流的幅逐次 近法在實(shí)際應(yīng)用過程中的精度主要受到以下值 Im 的表達(dá)式為：幾個(gè)方面的制約： i I 222i1）采樣電流最小分辨率。隨著電壓矢量角度不斷近轉(zhuǎn)子角度，響應(yīng)電流的幅值也越來越接近，AD 電流采mU 2t2 L2 L2 2 LL cos 2 r L2 L2 2(4)樣的采樣精度高低決定了該方法能夠達(dá)到的最高精度。在不考慮飽和效應(yīng)的前提下，當(dāng) r 或r 時(shí)，響應(yīng)電流幅值最大：2）逆變器非線性。由于死區(qū)時(shí)間、導(dǎo)通壓降等的影響，實(shí)際發(fā)出的電壓矢量脈沖與指令值相比，其幅值、角度均會發(fā)生變化，影響估算結(jié)果。注入的電響應(yīng)電流幅值（A）內(nèi)埋

16、式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與比較壓是脈沖電壓、電流也是脈沖形式的，難以實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)式中 L11、L12、L21、L22 對應(yīng)于公式(1)中電感矩陣的各個(gè)元素；i1 、i1 和i2 、i2 分別是V1 、V2 對應(yīng)的響應(yīng)電流 I1、I2 在 - 坐標(biāo)系下的分量； i 、i 是電流矢量差 I1-I2 的兩個(gè)分量，即對應(yīng)于 V 的等效響應(yīng)電流。根據(jù)上面的分析可以得到結(jié)論：在逐次 近法的實(shí)償。2.2 逐次 近法改進(jìn)措施本文提出一種簡單的改進(jìn)措施可以大大降低上述因素的影響。先后向電機(jī)注入兩個(gè)方向相同，幅值不同的電壓脈沖，利用其響應(yīng)電流之差來進(jìn)行計(jì)算，在一定程現(xiàn)過程中，通過在每個(gè)電壓角度下注入

17、兩個(gè)具有固定幅度上可以抵消死區(qū)時(shí)間的影響。值V1 、V2 的兩個(gè)電壓矢量，并比較不同角度下兩個(gè)響應(yīng)電流的矢量差I(lǐng)1 - I2 的幅值，即可最終準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子位設(shè)V* 、V* 為兩個(gè)電壓脈沖指令值，二者方向相同，12幅值不同，假設(shè)V* 0.5V* 。結(jié)合式(1)，忽略定子電阻的置。該方法可以在很大程度上消除死區(qū)，開關(guān)通關(guān)21影響，兩個(gè)電壓脈沖的響應(yīng)電流方向也相同，幅值不同。斷時(shí)間等非理想對輸出電壓幅值、角度等的影響，因此，死區(qū)時(shí)間對輸出電壓的影響可以近似等效為同一提高估算精度。個(gè)電壓誤差矢量Verr 。3 高頻電壓注入法V高頻注入法是一類適用于低速的無位置傳感器算V1法，也可以應(yīng)用于初始位置檢測。

18、依照注入電壓信號的V *V21形式，可以分為高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法和高頻脈振電壓注VV *err2入法。3.1 高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法及其改進(jìn)措施圖 3 電壓矢量示意圖Fig.3 The relationship of different voltage vectors結(jié)合圖 3，由于Verr 的存在，實(shí)際發(fā)出的電壓矢量3.1.1 基本原理高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法的基本原理是向電機(jī)注入一個(gè)V 、V 相較于指令電壓V* 、V* 發(fā)生了一定程度的偏移。1212高頻的旋轉(zhuǎn)電壓矢量V e jct ，利用其響應(yīng)電流與注入電而兩個(gè)電壓矢量之差V 消去了V ，方向與V* 、V* 方injerr12壓和轉(zhuǎn)子位置之間的關(guān)系從

19、響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置信息。其中 Vinj 是注入電壓的矢量幅值，c 為注入電壓的角頻率。向相同。如果用V 及其響應(yīng)電流來估算轉(zhuǎn)子位置就可以消除V 的影響，提高估算精度。將上文中的電壓矢量分err解到 - 坐標(biāo)系下： u1 u2 注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓后，產(chǎn)生的響應(yīng)電流為：V V* VV V* V(7)11erru 22erruV21 Le tj t 2isinjj Leccr L2 L2 dq _ inj結(jié)合(1)式，忽略定子電阻的影響，用電流變化量除c(9)V 2d 2ire jr以時(shí)間近似替代微分運(yùn)算：sin t d 2fcr2r 22dcd i2 it uu LL響應(yīng)電流為復(fù)矢量形式，其求解

20、過程在文獻(xiàn)10中有21V 11112i it uLuL 2122 12 12(8)詳細(xì)的證明，此處不再贅述。響應(yīng)電流分為三部分。最Lit L1112Lit 后一項(xiàng)為飽和分量，這一分量的正、負(fù)可以用來判別轉(zhuǎn)L 2122 子極性（d 軸或者 d 軸負(fù)方向）。因?yàn)樽⑷氲母哳l電壓的幅值小、頻率高，所以最后一項(xiàng)的幅值相較其它兩項(xiàng)很非理想的影響將存在幅值和相位的誤差，假設(shè)為 t 。其中 是電壓相位偏移的角度；us Vjk e 小，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置時(shí)可以暫時(shí)忽略。cudq _ injinj 1uk1 是一個(gè)系數(shù)，用來體現(xiàn)電壓幅值的變化。文獻(xiàn)16中指出，死區(qū)時(shí)間會造成單個(gè)脈沖伏秒面積的損失或增加，Re cos 2

21、( t )ipol jLPFercrisdq _ij 2(ct )e jctHPFjer電壓的正負(fù)取決于電流的極性。將伏秒面積的變化分?jǐn)傇诎雮€(gè)基波周期，相當(dāng)于在基波電壓上疊加了一個(gè)同頻1rrPIs電壓 udb。udb 的基頻分量與指令電壓相疊加，會導(dǎo)致電壓幅值、相位發(fā)生較為固定的變化。綜上所述，下文圖 4 高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法信號處理流程圖Fig.4 The signal pros of ro ing vector injection method式(9)所示的響應(yīng)電流得到轉(zhuǎn)子位置信息的過程如圖4 所示。信號經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后：推導(dǎo)中均認(rèn)為k 與 均為定值。用實(shí)際電壓us計(jì)算1udq _ inj得到

22、的響應(yīng)電流為： L Le j2ct 2r Vinj Le jct uis e jctV k(10)c is inj 1dq _ inj(13)j L2 L2 j t 2 dq _ injj L 22LLecurc通過圖 4 中算法，即到用于鎖相的電流 i：此時(shí)仍然采用圖 4 中的信號處理算法，得到用于鎖VinjL sin 2 i(11) L2 L2 相的分量：rrcVinj k1Lsin 2 (14)u i系統(tǒng)穩(wěn)定后，PI 調(diào)節(jié)器將 i調(diào)節(jié)至零，此時(shí)得到的 L2 L2 rrc角度 或 ，還需要在此基礎(chǔ)上判斷轉(zhuǎn)子方向。最后估算得到的角度將變?yōu)?1 2 ，計(jì)算結(jié)rrrrru依據(jù)圖 4 上半部分中的

23、算法，可以從式(9)的最后一項(xiàng)提取出用于極性判斷的信號 ipol。果中會出現(xiàn)一個(gè)角度偏置。電壓相位誤差對最后觀測角度有明顯的影響，而電壓幅值的誤差對最后的角度估算V d 2i cos 2 cos id (12)并沒有影響。polfrr228dcf本文提出一種補(bǔ)償策略，可以對各種非理想導(dǎo)式中 ， 接近于零時(shí)i 0 ；而當(dāng)rrrrpol致的電壓相位的誤差進(jìn)行整體的補(bǔ)償。結(jié)合注入電壓方r 接近于 時(shí)ipol 0 。3.1.2 改進(jìn)的高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法公式(9)，可知高頻電壓基波與高頻電流正序分量相位相同，通過對正序分量鎖相可間接得到注入電壓的相非線性會對最終的觀測角度產(chǎn)生影響，本小節(jié)位，進(jìn)而提高計(jì)算

24、精度。具體補(bǔ)償原理如下：先簡要分析這一問題，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)算式(13)中響應(yīng)電流的第一項(xiàng)（正序分量）含有電壓相法。由上面的分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)信號處理過程中需要頻繁的用到注入電壓的角度ct 。在初始位置檢測時(shí)，電壓指令值幅值通常很小較?。ㄒ话阍?10V 以內(nèi)），死位誤差信息而不含轉(zhuǎn)子位置信息。如果將該誤差信息提取出來，則可對其進(jìn)行補(bǔ)償從而消除其影響。采樣得到的電流經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換后（ e jct ），(13)式的第一項(xiàng)將變?yōu)橐粋€(gè)直流量，對其低通濾波后即可提取出含有電壓相區(qū)時(shí)間等非理想的影響將更加明顯。 V e jct ，實(shí)際電壓受到設(shè)注入電壓指令值為us*位誤差的分量：dq _ inj

25、injRe inj內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與比較Vinj k1 L e ipolj tjs LPF ie(15)cuj L2 L2 dq _ injcisie jLPFr提取式(15)中的電流分量的實(shí)部:dq _ injr1s e jct rPIi Re LPF iserrdq _ inj(16)Vinj k1 L sin 圖 6 高頻脈振電壓注入法信號處理流程圖 L2 L2 ucFig.6 The signal pros of pulsating vector injection method采樣得到的高頻電流經(jīng)過圖 6 中所示的信號處理算法，得到用于鎖相的電流分量：將這

26、一分量作為鎖相環(huán)的輸入，如圖 5 所示。其中上半部分是原有角度計(jì)算部分，下半部分是改進(jìn)算法的VinjL sin 2 i框圖，目的是對電流正序分量進(jìn)行鎖相，從而修正電壓矢量角度ct 。(18) L2 L2 rrc最終系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，觀測器即到轉(zhuǎn)子位置角rr 或 ，與高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法類似，最后PIrrris用式(17)的最后一項(xiàng)對極性進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。idq _ inj j t HPFj 2( t )jeecu rcu高頻脈振電壓注入法可能存在著與高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法相同。由于延時(shí)、死區(qū)時(shí)間等的影響，1sRe PIu電壓的幅值、相位會發(fā)生變化。在某一個(gè)估算的轉(zhuǎn)子角度下，非線性對實(shí)際輸出電壓的影響體現(xiàn)在

27、對指令圖 5 電壓相角補(bǔ)償算法電壓幅值、相位的影響。這里假設(shè)注入電壓的實(shí)際值Fig.5 Compensation algorithm of voltage angle當(dāng)鎖相環(huán)穩(wěn)定后，用于計(jì)算的電壓角度與實(shí)際電壓us為：dq _ inj角度相同，即實(shí)現(xiàn)了對誤差相位的準(zhǔn)確補(bǔ)償。從而減小cos t e j V kus(19)rdq _ injinj 2cu了死區(qū)等非線性對于估算結(jié)果的影響。其中u 是電壓相位偏移的角度； k2 是一個(gè)系數(shù)，3.2 高頻脈振電壓注入法高頻脈振電壓注入法基本原理與高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入j用來體現(xiàn)電壓幅值的變化；系統(tǒng)穩(wěn)定后，e為一固定常r數(shù)，不發(fā)生變化。式(19)中的響應(yīng)電流變?yōu)?/p>

28、：法相似，其注入的電壓矢量為V cos t e，算法的實(shí)jrinjcVinj k2 sin ct u s idq _ inj L2 L2 現(xiàn)較高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法更為簡單。注入高頻脈振電壓(20)cr 10 j 2后，響應(yīng)電流如式(17)所示 。 Le LejrrVinj sin ct j 2 Le Lejisrrr L2 L2 根據(jù)圖 6 中算法，得到用于鎖相的電流分量：dq _ injc(17)Vk2 cos uV 2d 2irL sin 2 e jri(21) L L injsin t cos 22dc r 2rr22fcrr22dccdc將其與(18)式進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，非理想的式(17

29、)為坐標(biāo)系下的響應(yīng)電流，最后一項(xiàng)是飽和是影響 i的幅值，而不影響其相位，系統(tǒng)最終仍然穩(wěn)定分量，可以用來判別轉(zhuǎn)子極性。在位置計(jì)算時(shí)，飽和分在 0 點(diǎn)。量幅值較小，可以忽略。信號處理算法如圖 6 所示。rrLPFIm 1s2sin ctIm LPFcos 2ctRe 據(jù)此可以得到結(jié)論，死區(qū)時(shí)間等非線性幾乎不圖 7 是改進(jìn)后逐次 近法的實(shí)驗(yàn)波形。程序可以分會影響高頻脈振電壓注入法的計(jì)算結(jié)果。這是該方法的為兩部分：先在0 至360 發(fā)脈沖，確定 d 軸大致位置；優(yōu)勢。第二部分一次計(jì)算的基礎(chǔ)上不斷細(xì)分，此時(shí)利用電流差計(jì)算轉(zhuǎn)子角度，來抵消非線性的影響。其波形4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 7（b）所示。的 5.5kW

30、IPMSM 實(shí)驗(yàn)利用，除對了文中10分析的三種轉(zhuǎn)子初始位置估算方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，也對文改進(jìn)前改進(jìn)后獻(xiàn)5中提及的直接計(jì)算法進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，便于綜合比較。電機(jī)參數(shù)見表 1：50表 1 三相永磁同步電機(jī)參數(shù)-5Tab.1 The parameters of three-phase PMSM-10050100150200250300350轉(zhuǎn)子實(shí)際位置（Deg）圖 8 逐次 近法估算結(jié)果Fig.7 The estimate results of sucsive approximation method圖 8 是逐次 近法改進(jìn)前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)前方法注入電壓幅值為 30V，改進(jìn)后的方法每個(gè)角度上注

31、入的電壓脈沖幅值分別為 30V 和 15V。實(shí)驗(yàn)中控制器采 用 TI 公司的 DSPTMS320F28335 作為控制，開關(guān)頻率為 2kHz、計(jì)算頻率為 4kHz。t(500ms/div)（a）高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法t(500ms/div)（a）整體波形t(40ms/div)（b）局部波形t(500ms/div)（b）高頻脈振電壓注入法圖 7 逐次 近法實(shí)驗(yàn)波形（改進(jìn)后）圖 9 高頻電壓注入法實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 The wave form of sucsive approximation method(afterFig.9 The wave form of High frequency injec

32、tion methodsimproved)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，逐次 近法在改進(jìn)前計(jì)算結(jié)電壓(500V/div)電流（4A/div）電壓(500V/div)電流（4A/div）電壓(500V/div)電流（1.25A/div）電壓(500V/div)電流（1.25A/div）估算誤差（Deg）uabiauabiaibuabiauabiaib參 數(shù)數(shù) 值定子電阻 Rs/ 03 d 軸電感 Ld/ mH3.79q 軸電感 Lq/ mH6.03永磁體極對數(shù)p4轉(zhuǎn)子磁鏈幅值 f / Wb0.307額定頻率 f/ Hz200額定電流幅值IN/ A85 內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與比較果波

33、動(dòng)較大，最大誤差達(dá)到 10左右，改進(jìn)后估算角度基本穩(wěn)定在5 以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)算法的有效性。50-5圖 9(a)、(b)分別高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法和高頻脈振電壓注入法的波形。高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法，其高頻響應(yīng)電-100100200轉(zhuǎn)子實(shí)際位置（Deg）(a)直接計(jì)算法3005流為空間中旋轉(zhuǎn)的矢量，三相電流相位不同；而高頻脈振電壓注入法，電機(jī)時(shí)高頻響應(yīng)電流為角度固定、0幅值正弦變化的矢量，三相電流相位相同。-50100200300轉(zhuǎn)子實(shí)際位置（Deg）(b)逐次 近法（改進(jìn)后）改進(jìn)前1015改進(jìn)后510005100200300轉(zhuǎn)子實(shí)際位置（Deg）(c)高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法(改進(jìn)后)50050100

34、150200250300350轉(zhuǎn)子實(shí)際位置（Deg）0圖 10 高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法估算結(jié)果-50100200300Fig.8 The estimate results of the methodshis pr轉(zhuǎn)子實(shí)際位置（Deg）(d)高頻脈振電壓注入法圖 10 中是高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法的估算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中注入的高頻電壓幅值為 10V，頻率為 200Hz。改進(jìn)前誤差圖 11 四種方法估算結(jié)果Fig.9 The estimate results of the methodshis pr角度最大達(dá)到14 ，并且計(jì)算結(jié)果存在這一個(gè)較大的偏置，與上文中分析相吻合；改進(jìn)后誤差減小到7 以內(nèi)，計(jì)算角度的偏置有

35、了明顯的減小，證明了改進(jìn)算法的有5 結(jié)論本文通過對實(shí)際應(yīng)用較多的幾種 IPMSM 初始位置檢測方法分析、改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：效性。圖 11 中列舉了文中提到的4 種初始位置方法的計(jì)算結(jié)果。其中高頻脈振電壓注入法注入的電壓幅值為 10V，（1）逐次 近法計(jì)算結(jié)果雖受到非理想，例如死區(qū)引起的電壓矢量的幅值和相位的誤差的影響，但是頻率為 200Hz。由于這種方法受非線性影響較小，計(jì)利用本文中的改進(jìn)方法可以大大提高其估算精度。該方算精度也最高，可達(dá)到4 以內(nèi)。改進(jìn)后的逐次 近法由法實(shí)現(xiàn)簡單，理論上也可以檢測隱極機(jī)的初始位置。但于非線性得到補(bǔ)償，計(jì)算精度接近高頻脈振電壓注是因?yàn)樾枰獧z測各個(gè)相位

36、下的響應(yīng)電流，因此檢測時(shí)間入法。改進(jìn)后的高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法的計(jì)算誤差略大于稍長。前兩種方法。直接計(jì)算法由于受到飽和特性的影響，計(jì)（2）兩種高頻注入法檢測精度相近，檢測速度較快。算誤差最大，在某些點(diǎn)達(dá)到10 左右。高頻脈振電壓注入法計(jì)算結(jié)果要略好于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注估算誤差（Deg）估算誤差（Deg）估算誤差（Deg）估算誤差（Deg）估算誤差（Deg）入法，受非線性影響最小，是精度最高的方法，產(chǎn)CSEE, 2011(36): 95-101.生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最??；高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法受非線性影響6,. 無傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制中轉(zhuǎn)子初始更為明顯，改進(jìn)后計(jì)算精度有一定改善。高頻注入法算位置的估算方法J.

37、 電工技術(shù), 2003(02): 10-13.法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)和 PI 參數(shù)。（3）高頻注入法也可以應(yīng)用于低速時(shí)無位置傳感器Liang Yan, Li Yongdong. Initial rotorition estimation for thesensorless vector control of PMSMsJ.Journal of Electric tech-控制，而逐次 近法只適用于電機(jī)的場合。nique, 2003, 22(2):10-13.總體而言，改進(jìn)后的逐次 近法和脈振電壓注入法7, 周滔滔,等. 一種增強(qiáng)可靠性的永磁同步電相對更優(yōu)，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體應(yīng)

38、用場合和指標(biāo)機(jī)初始角檢測J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(1):45-51.要求選擇最合適的方法。Huang Keyuan, Zhou Lize, Zhou Taotao,et al. An Enhanced Re-liability Method for Initial Angle Detection on Surface Mounted參考文獻(xiàn)：Permanent Magnet Synchronous MotorsJ. Tranions of Chi-1. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng) M. 2 版.：機(jī)械工業(yè)na Electrotechnical Society, 2015, 30(1):

39、45-51.，2012.8Nakashima S, Inagaki Y, Miki I. Sensorless initial rotorition2秋,. 無起動(dòng)繞組永磁同步電機(jī)初始定位及起動(dòng)estimation of surface permanent-magnet synchronous motorJ.策略J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(9)：61-65.IEEETranionsonIndustryApplications,2000,Zhu Huangqiu, Cheng Qiuliang. Initial orien ion and starting36(6):1598-160

40、3.strategy on PMSM without starting windings J. Proceedings of9Corley M J, Lorenz R D. Rotorition and velocity estimationthe CSEE, 2008, 28(9):61-65.for a sa nt-pole permanent magnet synchronous machine at3Wang C, Xu L. A novel approach for sensorless control of PMstandstill and high speedsJ. Indust

41、ry Applications IEEE Trans-machines down to zero speed without signal injection or spe lactions on, 1998, 34(4):784-789.techniqueJ. IEEE Tranions oner Electronics,10Jeong Y S, Lorenz R D, Jahns T M, et al. Initial rotorition2001, 19(6):857 - 864.estimation of anerior permanent-magnet synchronous mac

42、hine4Nakashima S, Inagaki Y, Miki I. Sensorless initial rotoritionusing carrier-frequency injection methodsJ. Cancer Research,estimation of surface permanent-magnet synchronous motorJ.2005, 55(22):5217-21.IEEETranionsonIndustryApplications,2000,11Kim H, Huh K K, Lorenz R D, et al. A novel method for initial36(6):1598-1603.rotorition estimation for IPM synchronous machine drivesJ.5王子輝, 基于改進(jìn)的脈沖電壓注入永磁同IEEETranionsonIndustryApplications