改进的永磁同步电机转子初始位置检测方法

1、第14卷第3期2010年3月Vol. 14 No. 3Mar. 2010电机与控制学报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL改进的永磁同步电机转子初始位置检测方法周元钧蔡名飞牝京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191）摘 要：为了解决新型无位置传感器永磴同步电机的起动问題，提出了一种在电机靜止状态下检 测转子位更的新方法。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（I轴位辰.并且针对传统旋转高频电压注入法无法检测出转子永磁体极性问 题，在（k|旋转坐标系下，通过分析永磁同步电机（I轴磁缝和定子电流之间的关系，利用（

2、I轴电流 的泰勒级数展开，提出了根据定子铁芯非线性磁化特性获得判别N/S极极性信息的新方案，并建 立了系统仿真模型。仿真结杲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、低速时的转子位显检测。关键词：永磁同步电机；转子初始位理：旋转高频注入；非线性磁化特性；N/S极极性 中图分类号:TM 351文献标志码：A文章编号：1007-449X 2010）03 - 0068 - 05Initial rotor position inspection of PMSM based on rotatinghigh frequency voltage signal injectionZH

3、OU Yuanjun, CAI Ming-feiapartment of /kutomatic Sc-ience N Electric-al Engineering» Beihang I niversity» Beijing 100191 * China ）Abstract： A new approach to estimate the initial rotor position when permanent magnet synchronous motor PMSM ）is standstill is proposed The approach proposed to

4、improve the conventional n）tating high frequency voltage signal injection method in the aritlHiietic The? position of d-uxis can be faster and more ac- curatly calculated than the traditional metliod. In onler to resolve the problem in detecting the polarity of the rotor magnet of the traditional me

5、thods a new scheme was also presented Based on the non-linear magnetic saturation effect and the Taley series in the d-axis rotor reference frame» the N/S polarity can also be acquired. The simulation results show the feasibility and eflectiveness of the proposed approach in a wide speed range

6、including standstill.Key words： permanent magnet synchronous motor： initial rotor position； rotating high frequency injection： non-linear magnetic saturation effect: N/S polarity© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第14卷第3期2010年3月Vol. 14 No. 3Mar.

7、2010© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第14卷第3期2010年3月Vol. 14 No. 3Mar. 2010收稿日期：2009 -09-24作者简介：周元钧Q952-）女校傅士生导师主要研究方向为屯源电力电子电机从其控制; 蔡名飞Q986）男硕士研究生研究方向为电机及其控糾.o引言水磁同步电机高粘确度、高动态性能的速度、位 置控制，都需要准确的转了位置信息。如果位置检 测谋差较大，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最

8、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；同时传感器对环境仃着严格的要求，电 磁犹、温度、湿度、振动对他的测粘确度都仃影 响。時别针对某些航空伺服电机，长期工作在恶劣、 父杂的坏境中，所以忧究无位雄传感益不仅可以减 少航空电机成本,而且可以减少不必要的引线，将大 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法69人提高整个系统的可靠性小。最简单的无位置传感器控制方法是文献2 捉

9、出的肚丁对检测到的电机反电动势进行积分，这种 方法虽然简单，但是在冬速或低速阶段因为反电动 太力、；难以检测而失败。后來又提出了高频注入法， 耐建思患是用电机冏有的空间凸极或凸极效hynf 以实现对转子位置的检测，这种方法与转速没佇直 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il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谋差，并且也没冇给 出电机N/S极极性检测方法。文献0提出在电机 中注入幅值相同、方向不同的系列脉冲，检测比比较 相应电遊的人小來佔计转子的位置。这种方亦而 血是对注入脉冲的电压幅值和时间控制要求比

10、较 匹_操作父杂，检测时间过氏。文献56通过注 夭盘频信号引起PMSM的（l-q轴磁链饱和程度 界实现初始位K检测，这种方法高频电流信号提取 复杂，容易带来计算谋差，难以做到转子位置的实时 检测跟踪。文献卩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入法的水磁同步电机转子 初始位置检测的新方法：在电机静止状态卜，通过 向电机定子三相绕组中注矜频电丿心呼，利両T 机£乂绊虫;通过处理禹疵电流响ETff；转J'丽 置忖瓦唠匕本文进行了仿真研究；实现了转子（I 辅莅藍和N/S极极性的快速、准确检测。1高频

11、激励下的永磁同步电机的数学 模型图1是永磁同步电机的模型图。在定子两项静止坐标系a芳下，对应的电压方 程为Tin%心G .式中:U丄分别为电压、电流、磁链和电感;卜标 a、/3分别表示定子a、仔轴分量;&为定子电阻;p为 微竺一了；少 建子迫角速度：几为永磁极礎链出注入高频电压信号的频率远高于额 定蹩继忖,电机的感宛敬于自感叭忽略定 了 1而I水磁极磁琏的影响，此时，注入高频激励F 的电肌模型定子电斥和磁链方程对以简化为L 一 ALsin 20r)2)-ALsin 2r) L - ALsin 2r)假立注入的高频电压信*为=V.-sin 3QMcos 3/ )那么奇频电压信号的磁链的方

12、程为0)4)-AAsin 20r将式6）带入式B）化简得到高频电流信号为乂 =气厶匕、©分别为注入高频电压的幅值、角 速度曲2切3分别为注入启J频信匕在a节 轴系下的磁链、电感和电流响应：厂为平均电融2 为空间调制电学上是基于厉埋2磁同步电机化人）进行 分析的;但是，由文献&町知，对面喘式水磁同步 电机 H）來说，在岛频激励作用卜，由于定了电 樂和效应的影响，艮高频阻抗仍会衣现出凸极效 些 故以上分析得出的高频激更工地迪妙电炎L2永磁同步电机转子d轴位置检测原观察式6）可知H 不仅和厲有关，还与 cos仏小有关，是一个随时间变化的戢。为了准确 获紂岛频电流信号，将心、乙电流分

13、磧通过帯通滤波 电路EPF）極波并相乘得到口二5 x乙二/屛|sin 纽）。Q）由式7）可知，一旦注入高频信号幅值频率 确定，髙频激励下的LZ 也会随Z确定。此时心的幅值仅仅只与转子位盘角乞相关。将二检测 一计算出的1寸带入式7 ）求解，即町计算出够工（I轴位置。但是，由干在分析时忽略了的定子电阻.永磁 极磁链等其他因素的影响，在实际的系统中，根据式Q）计算出的（1轴位置将会存在较人谋峑为此，需要对式Q）进行修正。修正的后的公式可以表示为二 KA%sin 2r）,式中:A为误差修正系数。C - 一啟常 4)s/ ®-3il)COS 仇), 2(o1 dkj，2 2，二-廿# gjsi

14、n2 ft, - er)«Q1 )将式a 1）经如图3处理后得到此“九么、a"冠面心皿*0r 二仇 + Att» a- = 0 1 o由式Q 2 ）可知，当-为负时，计算出的转子初 始位置：为+（1，为N极=0： '*|心为正时，计算出的 转了初始位置为-（1，为S极,A = 1«故通过判断 正负即可获得水磁同步电机的N/S极极性。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了

15、初始位置检测方法#3永磁同步电机N/S极极性检测原理式8）仅仅包禽电机转子（I轴位置信息，并没 冇永磁体的N/S极极性信息，为此必须通过貝他的 方法来获得。图2给出了水磁同步电机1轴磁链和定子电流 的关系。将作二阶泰勒展开得到九-九）.1 （1丸| 、八4 2 n一 +研心九九） 9）Jt中:兽 丿0：n.为水磁体基波励磁磁场过定 d入孑子绕组磁链。图3提取转子N/S极极性图Fig. 3 The way to extract the information about the polarity4永磁同步电机初始位置检测的方法如图4所示,经PW1逆变器向电机定子绕组 中注入三相旋转岛频电压估号。

16、首先，通过丽歩 感器检测出电机立了三til阪电流响应，作变 换，经过帯通滤波电路滤波心吓）得到心，很据式 Q）计算得出仃；为消除误差，将仏通过低加滤波. 器心屮）滤波，再根据式8）计算得到转子d轴位 .8。儿次，九经图3处理得到5,再根据式Q2）刑 '别转子的N/S极极性。/后，综合式匕）、Q2）番 乘7卖现转了初弭血置准确检测。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法71图2永磁同步电机d轴磁

17、链和定子电流关系Fig. 2 The relationship of d-axis flux linkage withd-ttxis stator current此时,注入高频电压信号在N/S两极的电流响 应分别为5 =抄仙+ *器0”）（片d，GO） 通过观察，式Q0）中第二项包含了转子N/S极 极性信息。此时，在a力轴系下，包含N/S极极性信息的 高频电流信号方程可表示为PMSM图4 PMSM初始位萱检测实施框图Ei± 4 Implementation of the initial rotor positiondetection5仿真结果为了验证上述分析的正确性,在Matlab/

18、SIML-LINK平台上以内埋式水磁同步电机为例进行仿其实齡。仿其所用的某航空何服水磁同步电机参数如农 1所示。逆变桥的开关频率为20 kHzo注入的旋转 高频电压信兮的幅值和频率碍恰当的选择，频率般 选为0.5-2 kHz,频率太低，接近转子的英频,不易与 同基频分离，频率太高，接近逆变开关频率，易与开关 频率混淆釦。幅值一般选为基波幅值1/5 1/8,幅 值太小，转子1轴磁链可能未充分饱和而不利于电机 极性检测，人高町能会导致电机转子转动。同时，还 要兼顾高频电流信号的仃效检测，II要求仃 定的抗 干扰能力，故还需保证高频电流大小在0. 1 2 A之 间。综合比较后，频率选为1 591 H

19、z a0000ra(l/s), 幅值选为30 V,对于本系统是合适的。表1永磁同步电机仿真参数Table 1 The parameters of thr PMSM电机參数参数值额定频率"b400极对数4定子电Bl/ft2.5d轴电感/mH3.5q轴电感/mH8.5转尹主0. 175对PMSM的电感建模要考虑其在高频信号卜 的饱和特性。综合考虑注入高频倍号的幅值、频率 以及业机参数的影响，修正系数A取1.08。转子初始位置检测的流程如图5所示。图5转子初始位萱计算流程Fig. 5 The flow of initial rotor position calculation左a#轴系下，

20、对电机静止状态下转子在不同 初始位置上的检测仿真结果如图6所示。图6中, 口是对检测出的高频电流处理滤波后的结果，包倉 电机转子(I轴位置信息:玄为通过本文所提方法计 篦出的转子初始位置小厲为转子初始位置估算谋: .正负包含电机转子N/S极极性信息。可以看出, 整个逾测时间不超过30 ma,电机在不同初始位置上 用此方法检测出的转子位置与实际转子位置误差不 超过 0.01 rad.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转

21、了初始位置检测方法#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法#on-445Q- 65-J- J-0-5 1.3.J*2 o.o.(ro（a） 0 m<l© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法#©

22、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法#图6基于旋转高频电压注入法初始位置检测仿真结果Fig. 6 The simulation result of initial rotor position based on rotating high-frequency injection© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

23、 All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法#© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 笫3期周元钧等：改进的水磁同步电机转了初始位置检测方法73图7给出了采用本文所提出的方法，当电机从 静止状态开始起动到50%额定转速6 (XX) r/min ) 时，转子位置计算值和转子位置实际值的波形。 图7中,在准确检测出转子初始位置后,0. 05 s时刻,加入基波激励使电机起动、运行。町以看出，该方法 同样町以在

24、中、低速范W内快速准确的检测出转子 的位置，仅在电机起动瞬间偏差较大0. 05 nd),这 是因为基波激励下的冲击电流干扰造成的。86420彳. <* (, 户(升貝才_2 '1«iiLztg-0.2 /|ifjj-0.41.:0 积 ：；V 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4转子位置实际值和转子位置计算值的比较The compart between the actual position and the calculated position木文对基于旋转高频电压注入法的水磁同步电 机转子初始位置检测从理论介绍，数学建模到软件

25、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，冇效克服了文献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 器的柑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1/2。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%额定转速卜的转子位置 计算值和转子位置吠际值的波形。结果表明该检测 方法在中、低速范圉内检测也有效。3）

26、如果采用了合适的控制方法，就能全面实现 茶于旋转高频注入法的PMSM全速范囤内的无传感 器运行。为航空伺服电机朝高可靠性、小型和超小 熨化、高速和超高速化发展做出了一定的探索。参考文献：1 JEONG Y IOKENZ K D, JAHNS TM. ei al. Initial n>t<H position rxUinution uf ail intnicM pcainaiiriit iiuinrt s>nvliiuiioiis niacliiiie u- sing canici fitH|ucncy injection mrlhiMls 0 IEEE Tmns on Ind

27、ustry Apf)licaiu)ru. 2(X)5. 41 4 >：38 -45.2 ERTVGIU L N. ACAKNI.EY P A new algoriihm 仙 sen河ih押 opeialion of pemianrnt nuignrt nxitois J IEEE Trans tm Industry 1994 30 1 )： 126 - )33.B石坚汤宁平，谭趙.永砂同步电机无位迓传感器控制系统 0电机与控制学报2007 JI a )：5054SHI Jian.T.ANG Ningfiing* TAN Cha<>. New metluMl fin M*nso

28、ile>s cimtiol uf PMSM (J . Eltric Math hies and Control 2007 11 a ):50-54.4卑艳李永东.无传感器水籬同步电机矢fit控制中转了初始位 置的估飪方法0电工技术杂志2003 2):10-13 LIANG Yan. LI Yongdong Initial iotoi petition esliniati<H)foi the st*nsoilcNs vector c(>ntix)l of PMSMs J . Eleanuechniail Journal. 2003 0:10-13 5 1 Jll Jung* SK Sul« JI Ha. Scnwhz <liivc <>f Miifacc nhHint<*<l pri- manrnl-fiiagnrt iw>toi by high4iv(|uency signal injection basd on magnrti<' salirncy 0. IEEE Tmiu IA. 2003. 39 4)： 1031 -1039.fe贾洪平.贺益康.頻注入法的永陋同步电动机转了初始 位置检测研究0中说电机工程学报.2OO5.25 <5)