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初始位置检测是实现永磁同步电机无传感器控制需
要解决的关键问题之一

[ 2, 3 ]

目前 ,在永磁同步电机无传感器控制方法中 ,直

接计算法 、

基于观测器的估算法 、

模型参考自适应法

等主要是利用感应电动势来观测磁极位置

[ 4 - 7 ]

,但

在转速为零时无法检测出转子位置 。由于电机的结
构性凸极或饱和性凸极与转子位置具有确定关系 ,
基于 凸 极 检 测 的 INFORM 法

[ 8, 9 ]

、最 佳 电 压 矢 量

[ 10, 11 ]

高频注入法

[ 1, 2, 12, 13 ]

等可实现转子初始位置

的检测 。其中 INFORM 法只能确定凸极位置 ,无法
判别 N / S极极性 ;最佳电压矢量法估算速度慢 ,若
试验电压选择不当会使得电机发生转动 ;高频注入
法不依赖于电机参数 ,通过检测电机的凸极极性来
估算转子初始位置 ,而且可以扩展应用于电机转动
运行时的速度估算和位置检测 ,但目前利用该方法
进行转子初始位置检测时 ,存在初始位置估算结果
可能反向的问题

[ 14, 15 ]

。文献 [ 14 ]提出一种用二阶

Taylor级数描述磁链 ,判断高频电流相应项系数来

判别永磁体 N / S极极性的方法 ,但该方法需计算二
阶导数 ,不便于实际应用 。因此利用高频注入法检
测永磁同步电机 ( PMSM )转子初始位置 ,在准确且
简便地判别转子永磁体 N / S极极性方面还需要做
进一步的研究 。

本文从分析面贴式 PMSM 定子绕组电感的饱

和效应入手 ,建立面贴式 PMSM 在高频电压激励下
的数学模型 ,利用旋转高频注入法进行转子凸极位
置估算 ,同时提出一种基于旋转高频注入法进行永
磁体 N / S极极性判别的方法 ,并利用一台面贴式

PM SM 进行转子初始位置检测实验研究 。

2

 基于旋转高频电压注入法的转子初

始位置检测原理

2

11 PM SM 定子电感饱和效应分析及其在高频电

压激励下的数学模型

由于永磁材料的相对回复磁导率接近于 1,一

般认为面贴式转子在电磁性能上属于隐极转子结
构 。在永磁同步电机设计中 ,通常使主磁路具有一
定的饱和度 ,以提高材料的利用率

[ 15 ]

,因此对于图

1所示的面贴式 PM SM , d轴磁路已处于饱和状态 ,

定子三相线圈的电感值是与转子 d轴位置有关的函
数 。以 A 相为例 , A相绕组自感为

L

a

=

L

a

σ

+

L

am

,

(

1

)

式中

: L

a

σ

为 A相绕组漏电感

; L

am

为通过主磁路闭合

的磁链对应的主电感

,

主磁路的状态将影响

L

am

值的

大小 。

1

 面贴式

PM SM

结构原理图

F ig. 1

 

Structure d iagram of surface m oun ted PM SM

在空载情况下

,

当 d轴和 A 相轴线的夹角分别

为 θ= 0和 θ=π时

,

A 相绕组交链的永磁体磁通最

,

饱和度最高

, L

a

最小

;

当 θ=π

/

2和 θ= 3π

/

2时

,

永磁磁通路径与 A 相轴线正交 , A 相磁路最不饱

, L

a

最大 。其变化曲线大致如图 2 所示

,

即在平

均分量上叠加了一个二次谐波分量 。

2

 空载情况下绕组电感曲线

F ig. 2

 

Curve of w ingd ing inductance ( no load)

在转子旋转 dq坐标系中直轴磁路处于饱和状

态 ,而交轴磁路处于不饱和状态 ,导致直轴电感小于
交轴电感 ,这就是电感的饱和效应 。因此在建立面
贴式 PMSM 数 学 模 型 时 应 考 虑 交 、直 轴 电 感 的
差异 。

在转 子 旋 转 dq 同 步 坐 标 系 中 , 定 子 电 压 方

程为

[ 16 ]

u

d

u

q

=

R

s

i

d

i

q

+

L

d

0

0

L

q

d

i

d

d

t

d

i

q

d

t

+

0

- ω

r

L

q

ω

r

L

d

0

i

d

i

q

+

0

ω

r

ψ

f

,

(

2

)

式中

: u

i

分别为电压 、

电流

; R

L

分别为电阻 、

电感

;

下标 d、q表示 d、q坐标分量

;

ω

r

为转子同步电角速

;

ψ

f

为转子永磁体磁链 。

由于估算转子初始位置时电机转速 ω

r

= 0

,

(

2

)

中后两项为零

,

且因为注入高频信号

,

因此式

(

2

)

中第二项

(

即自感电势

)

在电压降中占主导地

,

在忽略定子电阻后可近似地将定子电压方程表

示为

4

0

2

电  机  与  控  制  学  报              第 13卷