永磁同步电机转子位置辨识研究

第４４卷第３期　２０１０年３月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．３　Ｍａｒｃｈ　２０１０　永磁同步电机转子位置辨识研究　王　磊　，叶生文　，谷善茂２孙海萌　（１．河南煤业化工集团，河南永城４７６６００；２．中国矿业大学，江苏徐州　２２１００８）　摘要：传统脉振高频电压信号注入法在估计永磁同步电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ．简称ＰＭＳＭ）转子位　置时，因无法辨识转子Ｎ／Ｓ极而存在位置估算可能相反的问题。利用电机磁场的饱和效应．提出了一种新型转子位置　辨识方法，通过分析包含转子位置误差信息的二次高频电流分量，对转子永磁体磁极极性进行判别，结合传统方法，　准确辨识出转子位置。对一台凸极式ＰＭＳＭ进行了转子位置估计实验，验证了该方法的有效性。　关键词：永磁同步电机：转子位置辨识：饱和效应　中图分类号：ＴＭ３５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１０）０３—００３５—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｒｏｔｏｒ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ　，ＹＥ　Ｓｈｅｎｇ．ｗｅｎ　，ＧＵ　Ｓｈａｈ—ｍａｔ　，ＳＵＮ　Ｈａｉ—ｍｅｎｇ　（１．ＨｅＩ￣７１Ｌ　Ｃｏａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ，Ｙｏｎｇｃｈｅｎｇ　４７６６００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｅｍａｎｅｎｔｒ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｍａｙｂｅ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｕｌｓｉｎｇ　ｈｉｇｈ—ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｓｉｎｃｅ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎｎｏｔ　ｒｅｃｏｇｎｉｚｅ　Ｎ／Ｓ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｌａｉｒｔｙ．Ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｉｄｅｎｔｉ￣ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｎ／Ｓ　ｐｏｌａｒｉｔｙ　ｉｓ　ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄ　ｈｉｇｈ－ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｆ　ｗｉｔｈ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｏｎ　ａ　ＰＭＳＭ　ｗｉｔｈ　ｓａｌｉｅｎｔ　ｐｏｌｅ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ印一　ｐｒｏａｃｈ，ａｎｄ　ｉｔ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｐｏｌａｒｉｔｙ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ；ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｄｅｎｔｉｉｃａｔｆｉｏｎ；ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｌｆｅｄ　ｂｙ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｆｕｎｄ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｆｉｎｄｉｎｇｓ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．ＢＡ２００８０２９）　１　引　言　永磁同步电机（ＰＭＳＭ）因具有高效率、高转矩　电流比、高功率密度、可靠性等优点，在高精度的电　机控制系统中得到了广泛应用。而ＰＭＳＭ的高性能　控制需要知道准确的转子位置，如果转子位置估计　误差过大，则电机不能顺利起动。因此，转子位置估　计的精确程度是实现ＰＭＳＭ高性能无传感器控制　策略的基础。　近年来许多学者开展了ＰＭＳＭ转子位置辨识　研究，提出了许多方法．其中利用电机凸极效应检测　转子位置最为常用。可以利用注入电机中的高频信　号引起ＰＭＳＭ　ｄ。ｑ轴磁路饱和程度的差异实现转子　位置的检测，同时根据定子铁心的非线性磁化特性，　入高频电压信号，实现过程比较复杂。当通过给电机　施加幅值相同、方向不同的一系列电压脉冲，检测相　应的定子电流来估算转子位置，再根据定子铁心的　非线性磁化特性来判断永磁体的Ｎ／Ｓ极极性时【３Ｊ，由　于不易确定注入脉冲电压信号的幅值．故无法准确　估算出转子位置　在分析ＰＭＳＭ高频激励下的数学模型和电枢　电感饱和效应的基础上．提出了一种新型的转子位　置辨识方法，它利用包含转子位置误差信息的二次　高频电流分量来辨别转子的Ｎ／Ｓ极，然后对位置进　行补偿，实验结果证明了理论分析的正确性。　２高频激励下ＰＭＳＭ的数学模型　在高频回路中．可以把ＰＭＳＭ看成一个简单的　Ｒ—Ｌ负载，假设注入信号频率远大于电机转速，耦合　判断永磁体的Ｎ／Ｓ极极性【－】：也可以利用脉振高频注　入结合查表法获取转子位置．并利用磁场饱和引起　的电感量的变化来辨识磁极极性【２Ｊ。以上两种方法虽　项就可以忽略。此时的高频电压方程可写为：　『　ｄｉ　１『Ｒａｉ＋ｐＬｄｉ一∞上ｑｉ］　ｉ　１　【Ｍｑｊ　Ｊ【　厶ｉ　Ｒｑｉ＋ｐＬｇｉ¨ｉｑ，Ｊ　，，、　、　然可以达到较高的辨识精度，但需要分阶段两次注　基金项目：江苏省科技成果转化专项资金资助项目　（ＢＡ２００８０２９）　式中：Ｕ　‰ｉ和ｉ　ｉ。。分别为转子ｄ，ｑ坐标系下高频定子电　压，电流分量；　，Ｒ　ｉ和　，，Ｊ　ｉ分别ｄ，ｑ轴高频电阻和电感　分量；ｐ为微分算子。　定稿日期：２００９—１２—２１　为准确估计出电机转子位置，建立估计转子ｄ　．　作者简介：王磊（１９７２一），男，河南永城人，博士，高工，研究　ｑ　旋转坐标系和实际转子ｄ，ｑ旋转坐标系，见图１。　定义转子位置估计误差角Ａ０ｒ＝０ｒ－０ｒ　。稳态时的　３５　方向为电力电子与电力传动。　第４４卷第３期　２０１０年３月　电力电子技术　ＰｏＷｅｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４．ＮＯ．３　Ｍａｒｃｈ　２０１０　电压方程可进一步写为：　＝（其频率为注入高频电压信号的频率）外，还不可避　免地包含了各次谐波电流。所以　可写为：　＝　ｉ　＋　∑　，ｎ＝０，１，２，３，…。　为高频电压信号　ｆ　ｉ　式中：　为直轴高频阻抗，　。＝　。＋ｊｔｏＬ　的频率；　。为交轴高频阻抗，　．　＋ｊｏＪ￣　图１　ｄ　，ｇ　坐标系与ｄ，ｑ坐标系的关系　由于实际的转子磁链坐标系未知，而只知道估　计的转子磁链坐标系，以电压为例，由图１可知。两　种坐标系间的转换为：　［【ｕ．ｄ．．　］＝　【一　ｓｉｎＡ０　ｃ：ｓｏｉｎｓＡ００㈣　，　¨『上　Ｊ　（３）　则在以估计转子磁链定向的坐标系中，电压方　程可描述为　］：　【‰ｉ，ｊ一＝ｆ｝　象ｉｎ２∞Ａ２０　Ｚａｖｇ　一　Ｚ￣ｕ　ｅ２ｏ　ｓ２Ａ　０　ｉ¨　ｉ　　ｊ　式中：　为平均高频阻抗，　＝（　，＋　。）／２；　为半差高频阻　抗，　Ⅲ：：（　一Ｚｑ。）／２。　则相应的高频电流为［６１：　壶　０ｓ２　ｉ　ｉ　（５）　壶［（　ｉ　）Ｍ　＋（　ｖ　△０ｒ）．ｑ／］　３转子位置自检测原理　为减小转矩脉动。仅在估计转子坐标系的ｄ　轴　注入高频电压信号：　∞Ｓ０Ｏ）　】　（６）　式中：　为高频电压信号幅值。　由式（４）可得相应的高频电流为：　当估计的转子位置接近真实值时，叮轴上的高　频电流分量几乎为零，因此可以考虑把ｑ轴上的高　频电流分量进行相应处理，以得到转子位置的误差　信号，将其作为观测器的输入信号．从而得到转子的　位置、速度信号。　为了获取包含转子位置误差信息的低频分量。　必须采取一定的信号处理过程。图２示出传统的位　置信号提取过程框图　ｓｉｎ　ｃｏｉｔ—＿＿Ｊ　Ｌ＿．臣　图２传统位置误差信号提取框图　此时的ｉｑ　由两部分构成．除了包含特定的电流　３６　传统的脉振高频电压注入是用一个带通滤波器　来提取ｑ轴包含转子位置误差信息的一次高频分量　ｉ。　。传统的信号处理为：　毛ｊ　＝ＢＰＦ（ｉｑ　），　凹，＝ＬＰＦ（‘　ｓｉｎｗ￣）　（８）　为了尽可能多地滤除无用的信号．尽量使用高　阶、窄带宽的带通滤波器。而带通滤波器的使用又不　一　可避免地引入时延和幅值的削弱．这会导致系统的　＾　不稳定。为克服这种不稳定性，在此只用一个低通滤　波器提取位置误差信号ｉ　，如图３所示，具体的处　２　的　３　理过程如下：　ｑ　ｓｉｎｍｉｔ＝ｉ口ｉ　ｓｉｎｏＪ　＋∑ｉ．ｓｉｎｗ　ｔ　（９）　。ｉ　是一个频率为∞ｉ的高频分量，所以可写为：　。ｉ　ｓｉｎｗｉ拄　＋　（１０）　式中：　为直流分量；　为频率为　。的高频分量。　岛—　—　二卜＿—匝　．［亘　匝　ｓｉｎ￣ｏ。，＿＿Ｊ　Ｌ臣　图３新型位置误差信号提取框图　由于∑　不包含∞　高频分量，与ｓｉｎｗｉｔ相乘不　会出现直流分量，因此，这一部分可以通过一个低通　滤波器滤除，即：　ＬＰＦ（ｉｑｉ＇ｓｉｎｗｉｔ）＝ＬＰＦ（ｉｑ＇ｓｉｎｗ　）＝　（１　１）　由式（１１）和式（８）可见，两种方法的结果是一样　的。但文中方法比传统方法所用滤波器少，这样就能　有效避免由滤波造成的相位延迟和幅值削弱。经过　低通滤波器后可得转子位置误差电流信号为：　ｉｔ￣ｒ＝ＬＰＦ（ｉｑ＇Ｓｉｎｔｏｉｔ）：　ｚｔｏｉ￣ｄｉＬｑｉ　（１２）　如果转子位置误差足够小，则有：　ｓｉｎ２Ａ０￣２Ａ０，，　蛳Ｋｅｎ￣Ｏｒ　（１３）　式中：ｋ：　ａ　（　上　。　）。　由式（１３）可见，ｉ　与Ａ０ｒ成正比。用ＰＩ控制器　来使ｉ￣０ｒ＝０，这样即可得到位置和速度。　４转子位置极性判别　传统的脉振高频注入法在转子位置辨识过程　中仍存在一个问题．即无法准确辨识出电机转子的　Ｎ／Ｓ极。问题的根源是在传统的辨识过程中有两个　稳态工作点，一个在Ｎ极，另一个在Ｓ极，一旦辨识　出的位置与Ｓ极重合，输出转矩的方向就会改变，电　机就会反转。因此，还必须进行转子极性的辨识。　由注入的脉振电压和电机凸极共同作用而产生　的高频电流分量为：　，ｉ：　ｅＪ　蛾　＋　Ｉ１Ｔ　）－一ｅｊ‘　＋　１＋　，２ｉ２Ａ０ｒａ￣ｒ　ｅ　ｌ　’一—ｅ　　卜　ｌ一　永磁同步电机转子位置辨识研究　｛，『—　ｌｉｓａｔ　　ｅＰ　ｊ　娜蛾呲，一—　＿　ｅ　２　娜蛾　］　Ｉ（、　１４、／　过０．１　ｒａｄ．稳态运行时，最大误差不超过０．０４　ｒａｄ，较　好的实现了ＰＭＳＭ的位置辨识；图６ａ为传统脉振法　式（１４）等式右边的４项分别为直流分量、不含　估出的转子位置刚好在Ｎ极的一组曲线，此时３条　转子位置误差信息的一次高频分量、包含转子位置　曲线很好地重合在一起。由上述理论推导可知，此时　误差信息的一次高频分量、包含转子位置误差分量　极性判别信号的幅值应为负，而此时图中极性判别　的二次高频分量。由于传统方法使用包含转子位置　曲线刚好为负值。图６ｂ与图６ａ较为类似，只是转子　误差信息的一次分量来估计位置，所以在此选择含　位置的极性辨识信号为正，因些需进行补偿。　有转子位置误差信息的二次高频分量来辨识永磁体　实测　Ｎ／Ｓ极　图４示出二次高频分量中位置极性误差信　黾　息的提取过程。　／　０　一一　＾捌　ｎ　１，Ａ　＾ｒ－ｖ　／　｝ｋ　萋０　：０　芒　、　订　＾　ｆ　基一０　晕一０　图４位置极性信号提取框图　ｔ｜ｓ　Ｉ／ｓ　（ａ）极性辨识信号为负　（ｂ）极性辨识信号为正　经图４的信号处理过程后，得到了极性位置判　图６转子位置实验结果　别信号，即：　由实验可见．新型脉振高频注入法可以实现　￡　＝一÷，ｉ　ｃｏｓ（Ａ０ｒ＋￣ｉ　）　（１５）　ＰＭＳＭ的位置极性辨识．从而实现ＰＭＳＭ无位置控　制的平稳起动和可靠运行。　若８　＞０，则ｃｏｓ（ｈＯｒ＋￣ｉ　）＜Ｏ，此时估计出的稳定　６结　论　点刚好与转子磁极Ｓ极重合，需在传统估计值的基　在分析传统脉振高频电压信号注入法的基础　础上再加上２　（Ｐ为极对数）来修正转子的位置；　上．利用电机的饱和效应．提取包含转子位置误差信　相反，若￡　＜０，则ｃｏｓ（ａ０　＋　ｊ　）＞０，此时估计出的稳　息的二次高频分量的实部来辨识是否需要对估计转　定点与转子磁极Ｎ极重合，用传统方法估计出的位　子位置进行补偿．解决了传统方法对永磁同步电机　置即为真实的转子位置。图５示出位置估计框图。　位置可能估反的问题。在低速阶段，该方法可准确估　计出永磁同步电机的转子位置。实验结果证明了该　方法的有效性。　图５转子位置辨识框图　参考文献　５　实验结果　【１】贾洪平，贺益康．基于高频注入法的永磁同步电动机转子　为验证该新型脉振高频注入方法对ＰＭＳＭ转子　初始位置检测研究『Ｊ１．中国电机工程学报，２００７，２７（１５）：　１５－２０．　位置辨识的有效性和可行性。在Ｄｓｐａｃｅｌ　１０３实验平　ｆ２１万山明，吴芳等．基于高频电压信号注入的永磁同步电机　台上对一台４极凸极ＰＭＳＭ进行了实验研究。电机　转子初始位置估计［Ｊ】．中国电机工程学报，２００８，２８（３３）：　参数为：额定功率１．５ｋＷ：额定电压１９０Ｖ；额定电流　８２－８６．　６．１　Ａ；额定速度１　５００　ｒ・ｍｉｎ～；额定转矩９．５５　Ｎ・ｉｎ；极　【３】韦鲲，金辛海．表面式永磁同步电机初始转子位置估计　对数２；相电阻１．６４Ｑ；直轴电感１６．４２ｍＨ；交轴电　技术【Ｊ】．中国电机工程学报，２００６，２６（２２）：１０４－１０９．　感２５．６８　ｍＨ：永磁磁链０．４２Ｗｂ。　【４】廖勇，沈朗，姚骏，等．改进的面贴式永磁同步电机　实验首先给定电机速度为零，电机通入频率为　转子初始位置检测叨．电机与控制学报，２００９，１３（２）：２０３－　１　ｋＨｚ，幅值为３０　Ｖ的高频电压信号，延迟３　Ｓ后再　２０７．　【５］梁艳，李永东．无传感器永磁同步电机矢量控制中转子　给定转速信号。图６示出１　Ｈｚ下的实验波形。图中　初始位置的估算方法［Ｊ】．电工技术杂志，２００３，（２）：１０－１３．　的３条波形为编码器测得的转子位置、用传统的脉　［６］Ａｌｉ　Ｋｈｕｒｒａｍ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｐｅｅｄ　Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｐｅｒ－　振高频估计所得位置以及用新方法估计出的转子位　ｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒｓ［Ｄ】．Ｍｉｃｈｉｇａｎ：Ｍｉｃｈｉｇａｎ　置。由图可见，初始状态时，估计位置误差最大不超　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００１．　本刊声明　我刊已加入“中国学术期刊（光盘版）”、“中国期刊网”、“万方数据系统科技期刊群”等数据库，我刊　付给论文作者的稿酬中已包括上述数据库的稿酬，如作者不同意将文章纳入上述数据库，请来函声明。　３７