background image

u

d

u

q

=

L

d

0

0

L

q

d

i

d

d

t

d

i

q

d

t

(

3

)

2

12 基于旋转高频注入法的检测原理

在两相静止 αβ坐标系中注入高频电压信号

u

αβ

c

=

u

c

e

(

ω

c

t

+

θ

c

)

,

(

4

)

式中

: u

c

ω

c

θ

c

分别为注入电压信号的幅值 、

电角频

率 、

初始相位 。

将式

(

4

)

变换到转子旋转 dq同步坐标系中得

dq坐标系下的高频电压为

u

dq
c

=

u

c

e

(

ω

c

t

+

θ

c

-

θ

r

)

,

(

5

)

其中 θ

r

d

轴与 α轴的夹角

,

当转子静止时

,

该夹

角即为转子初始位置角 。

结合式

(

3

)

可求出旋转 dq坐标系中定子电流

矢量为

i

dq
c

= -

1
2

j

u

c

ω

c

L

d

+

L

q

L

d

L

q

e

(

ω

c

t

+

θ

c

-

θ

r

)

+

L

d

-

L

q

L

d

L

q

e

- j (

ω

c

t

+

θ

c

-

θ

r

)

(

6

)

将其转换到静止 αβ坐标系中得

i

αβ

c

=

1

2

L

d

L

q

u

c

ω

c

(L

d

+

L

q

)

e

(

ω

c

t

+

θ

c

-

π

/

2)

+

(L

q

-

L

d

)

e

-

ω

c

t

-

θ

c

+ 2

θ

r

+

π

/

2)

=

i

c +

+

i

c -

,

(

7

)

其中

i

c +

i

c -

分别为静止 αβ坐标系下定子高频电

流正序矢量和负序分量 。

(

7

)

表明定子高频电流矢量

i

αβ

c

可以分成两

个分量

,

一个是以角速度 ω

c

正向旋转的正序分量

i

c +

,

另一个是以角速度 ω

c

反向 旋转 的负 序分 量

i

c -

,

其中

i

c -

含有转子位置信息 θ

r

。利用矢量变换

法提取转子位置信息

,

将式

(

7

)

变换到以角速度 ω

c

反向旋转的 d″

q″

坐标系中得

i

d

q

c

=

1

2

L

d

L

q

u

c

ω

c

(L

d

+

L

q

)

e

2

ω

c

t

+

θ

c

-

π

/

2)

+

(L

q

-

L

d

)

e

-

θ

c

+ 2

θ

r

+

π

/

2)

(

8

)

利用低通滤波器

(

low pass filter, LPF

)

将式

(

8

)

前一项高频分量滤除

,

可得包含转子位置信息的直流

分量。提取直流分量的相位得 φ = -θ

c

+ 2θ

r

/

2 ±

2

k

π

( k

= 0

,

1

,

2

,

) ,

求出 θ

r

=

1
2

(

φ +θ

c

- π

/

2

)

±

k

π

( k

= 0

,

1

,

2

,

)

。可见用矢量变换法估算位置角时由

于进行反三角函数运算使得 θ

r

存在多解

,

估算结果

可能与转子实际位置相差 π

,

即 180°

电角度 。

在其他提取转子位置信息的方法中

,

文献

[

1

,

17

]

的外差法及文献

[

18

]

的锁相环检测方法等

,

都存在由于进行三角函数运算而使得估算结果存在
多解的问题

,

位置估算结果同样可能反向 。所以在

用高频注入法得到转子位置估算值后

,

还须结合永

磁体 N /S极极性判别来综合确定转子的准确初始
位置 θ

r

3

 转子永磁体

N

S

极极性检测

针对 2

12 节中所述转子位置估算结果反向

问题

,

下面提出一种根据定子铁心非线性磁化特

,

从旋转 电 流 矢 量

i

αβ

c

幅 值 变 化 信 息 中 提 取 转

子永磁 体 N 极 的 方 法 。 2

11 节指出在空载时转

子永磁体已使主磁路具有一定的饱和度

,

绕组电

感在平均 分 量 上 叠 加 有 一 个 二 次 谐 波 分 量 。下

面分析当定子绕组通有电流时

,

绕组磁势对绕组

电感变化 的 影 响 。当 三 相 绕 组 合 成 电 流 矢 量 与
转子 d轴夹角 θ = 0 时

,

绕 组 磁 势 起 增 磁 作 用

,

d

轴磁路更趋饱 和

,

电 感值 减小

;

当 θ =π时

,

绕 组

磁势与转子磁势反向

,

起去磁作用

,

d轴磁路饱和

度降低

,

电感值 增大

;

当 θ =π

/

2 和 θ = 3π

/

2 时

,

绕组磁势单独作用在交轴上

,

不会使交轴磁路进

入饱和状态

,

对交轴电感值影响不大 。绕组合成

磁势所在 轴 线 上 的 电 感 值 随 绕 组 磁 势 与 转 子 d
轴夹角 θ变化曲线如图 3 所示 。

3

 面贴式

PM SM

电感变化曲线

F ig. 3

 

Inductance curve of surface m oun ted PM SM

从以上分析可知 ,由于阻抗的波动 ,恒幅值电

压矢量施加在转子不同方向上 ,所得到电流响应
的两个极值分别在电压矢量掠过 N 极和 S极时出
现 ,而且 N 极处的极值比 S极处的极值大 。因此
检测电流矢量幅值达到最大时 ,计算出电流此时
的相位即可判断出转子永磁体 N 极的位置 θ

N

。将

θ

N

与 2

12节求得的转子凸极位置做差

,

差值的绝

对值若小于 π

/

2

,

表明转子初始位置估计值 θ

r

转子实际位置相符 。若大于 π

/

2

,

表明 θ

r

与转子

实际位置反向

,

将 θ

r

加上或减去 π得到正确的转

子位置信息 。图 4为完整的转子初始位置估算流
程框图 。

5

0

2

第 2期

改进的面贴式永磁同步电机转子初始位置检测