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
法
[ 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 。
图
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
多
,
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
和
, 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 。
图
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
度
;
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
,
式
(
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
位
,
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