第６期

王高林等：内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法

５７

０

引

言

近年来，永磁同步电机调速系统逐渐成为交流

传动领域的研究热点。按照永磁同步电机转子永磁

体结构的不同，可分为表面式和内置式两种。内置

式永磁同步电机（ｉｎｔｅｒｉｏｒ

ｐｅｒｍａｎｅｎｔ

ｍａｇｎｅｔ

ｓｙｎｃｈｒｏ－

ｎｏｕｓ

ｍｏｔｏｒ，ＩＰＭＳＭ）的永磁体位于转子内部，转子磁

路结构的不对称性将会产生磁阻转矩，对磁阻转矩

进行控制，将有助于提高永磁同步电动机的过载能

力和功率密度，从而可以拓宽调速范围，具有较广泛

的应用领域。目前，研究低成本、强鲁棒性的无位置

传感器ＩＰＭＳＭ控制方法已成为交流电机控制技术

的研究热点。无位置传感器ＩＰＭＳＭ矢量控制方式

下，所能产生的起动转矩大小取决于转子初始位置

角的准确程度，如果初始位置角误差过大，将会导致

电机在起动阶段带载能力受到限制，甚至会出现反

转的现象¨。。因此，对于高性能无位置传感器

ＩＰＭＳＭ矢量控制系统，获取准确转子初始位置非常

重要。

目前，已经有多种永磁同步电机转子初始位置

估计方法相继被提出。较易实现的方法是基于定子

铁心非线性饱和特性的原理，按照某种顺序注入一

系列脉冲电压矢量信号来估计磁极位置，但实际电

机结构的非理想性限制了其估计精确度心］。针对

内置式永磁同步电机，Ｒ

Ｄ

Ｌｏｒｅｎｚ首先提出了基于

高频旋转电压信号注入的方法，可在静止状态下对

转子磁极位置进行较准确地估计ｐ

Ｊ。Ｓｕｌ

Ｓｅｕｎｇｋｉ提

出了基于高频脉振电压信号注入的方法，目的是为

了解决凸极效应不明显的表面式永磁同步电机

（ｐｅｒｍａｎｅｔ

ｍａｇｎｅｔ

ｓｙｎｅｈｒｏｕｏｕｓ

ｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）磁极位

置的估计［４］。传统高频旋转电压注入法是先提取

负序高频电流分量，采用外差法或数字滤波等方法

获取含有转子磁极位置信息的误差信号，然后通过

龙贝格观测器估计磁极位置Ｈ．５。６ Ｊ。龙贝格观测器

需要建立电机机械状态方程，涉及到电机转动惯量

参数，并且需要对扰动转矩进行观测，然而很多实际

应用场合中无法得知准确的电机参数。信号注入法

需要对磁极极性进行判断，用于校正检测到的磁极

位置¨Ｊ，可以通过提取二次高频正序电流分量来判

断转子磁极极性ｌｓ Ｊ，但是由于二次高频正序电流信

号的信噪比太低、算法比较复杂、对硬件电路要求较

高。因此，有必要研究一种简单、可靠、实用的

ＩＰＭＳＭ转子初始位置估计方法。

本文研究一种基于混合信号注入的内置式永磁

同步电机改进式转子初始位置估计方法，先通过注

入高频旋转电压信号获取磁极位置角的初判值，然

后将位置角初判值作为矢量角，注入２个方向相反

的脉冲电压矢量来判断磁极极性，从而得到最终的

转子初始位置角的估计值。最后，在一台２２ ｋＷ内

置式永磁同步电机进行实验验证。

ｌ

转子磁极位置检测方法

采用高频旋转电压注入法对ＩＰＭＳＭ转子磁极

位置进行检测，其原理是利用ＩＰＭＳＭ转子结构的凸

极性，通过往定子绕组注入对称的三相高频旋转电

压信号，将会在电机内产生旋转磁场，并在定子绕组

感应出高频电流，然后通过信号处理从高频电流获

取磁极位置角，如图ｌ所示。

图ｌ高频电压信号注入框图

Ｆｉｇ．１

Ｄｉａｇｒａｍ

ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｏｌｔａｇｅ

ｓｉｇｎａｌ

ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ

在静止坐标系下，当电机定子绕组注入一高频

旋转电压矢量ｕｉ时，电机的电压模型可以表示为

Ｍ。＝Ｒ。ｉ。＋ｐ吵。，

（１）

式中：尺。为定子电阻；Ｐ为微分算子；ｉ。和妒。分别为

定子电流和磁链矢量，其中妒。＝Ｌｆｉ。＋砂，ｅ肌，砂，为转

子永磁体产生的磁链，０。为转子永磁体Ｎ极位置的

电角度。

当所注入高频信号的频率∞远大于电机额定

频率时，定子电阻将远小于高频感抗，高频电压模型

（１）可以忽略阻抗压降，电压方程可近似表示为

Ｍ。。呻．。

（２）

如果电机在一个极距内只有一个空间凸极，则

在同步旋转坐标系中，定子电感矩阵可以表示为

ｒ

Ｌ．０

１

Ｌｓｄｑ

２

ｌ

ｉ

Ｌ。Ｊ，

（３）

式中厶和￡。分别表示ｄ轴和ｑ轴电感，对于内置

式永磁同步电机，转子结构的凸极性使得Ｌ。＞Ｌｄ。

在两相静止坐标系下，电感矩阵可以表示为

万方数据