內(nèi)置式永磁同步電機(jī)初始位置檢測(cè)方法研究

鄭昌陸， 胡月波

(1.上海申傳電氣股份有限公司，上海 200072; 2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)初始位置檢測(cè)方法研究

鄭昌陸1,2， 胡月波2

(1.上海申傳電氣股份有限公司，上海 200072; 2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

電機(jī)初始位置準(zhǔn)確性直接決定著電機(jī)的啟動(dòng)性能，介紹了一種基于高頻脈振電壓注入的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法。在估計(jì)的轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中注入高頻的脈振電壓，并在對(duì)應(yīng)的高頻電流響應(yīng)中提取出位置估計(jì)信號(hào)同時(shí)在高頻電流的二次諧波分量中提取出極性判斷信號(hào)。仿真結(jié)果顯示能快速準(zhǔn)確的得到估計(jì)的轉(zhuǎn)子初始位置，從而驗(yàn)證了方法的有效性。

永磁同步電機(jī)；高頻脈振電壓注入；初始位置；位置觀測(cè)器；仿真

0 引 言

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈角度與轉(zhuǎn)子位置直接相關(guān)，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)子初始位置是任意的，因此必須對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)的準(zhǔn)確性直接決定著電機(jī)的啟動(dòng)性能。若采用有傳感器的啟動(dòng)方法，普通的增量式編碼器無(wú)法獲得轉(zhuǎn)子初始位置，因此需要采用具有位置檢測(cè)功能的絕對(duì)式編碼器或者更復(fù)雜的傳感器設(shè)備，這不僅增加了系統(tǒng)成本，而且也降低了運(yùn)行的可靠性，因此在無(wú)傳感器條件下對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行檢測(cè)是十分關(guān)鍵問(wèn)題。

由于電機(jī)啟動(dòng)前轉(zhuǎn)速為零，在定子側(cè)無(wú)法檢測(cè)出基頻信號(hào)，這給無(wú)傳感器初始位置檢測(cè)提出了難題，使得傳統(tǒng)基于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的位置檢測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。比較簡(jiǎn)單可行的方法有轉(zhuǎn)子位置預(yù)定位法[1-2]，通過(guò)在電機(jī)啟動(dòng)前使轉(zhuǎn)子預(yù)先旋轉(zhuǎn)到某一固定位置來(lái)獲得轉(zhuǎn)子初始角度信息，然而這種方法會(huì)引起轉(zhuǎn)子發(fā)生任意方向的旋轉(zhuǎn)，限制了使用的范圍。文獻(xiàn)[3-4]采用向電機(jī)注入一系列脈沖電壓矢量的方法，通過(guò)不斷比較電流響應(yīng)的幅值，使估計(jì)轉(zhuǎn)子位置向真實(shí)轉(zhuǎn)子位置逼近，然而這種方法不僅檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)而且準(zhǔn)確性受到電流采樣精度的直接影響?；诟哳l信號(hào)注入的位置檢測(cè)方法[5-7]利用電機(jī)磁性凸極的特性能夠不受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響，對(duì)永磁同步電機(jī)就轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)具有良好可行性，然而這種方法只能檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁鏈所在軸的位置，無(wú)法判斷具體的極性。文獻(xiàn)[8-10]在此基礎(chǔ)上結(jié)合電機(jī)的飽和特性，并采用分步的方法通過(guò)兩次信號(hào)注入能夠分別得到轉(zhuǎn)子磁鏈軸位置和極性，但同時(shí)也增加了算法的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[11]僅需注入高頻電壓信號(hào)，在對(duì)應(yīng)的高頻電流分量以及高頻電流二次諧波分量中提取出轉(zhuǎn)子磁鏈軸位置信息和極性判斷信號(hào)從而得到轉(zhuǎn)子的初始位置，具有良好的快速性和準(zhǔn)確性。本文著重探討了基于高頻脈振電壓注入的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法，能夠在電機(jī)的電流響應(yīng)中得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子初始位置，仿真結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 內(nèi)置式永磁電機(jī)飽和效應(yīng)

在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中，若不考慮飽和效應(yīng)定子磁鏈的表達(dá)式如下：

(1)

其中ψsd,ψsq為定子磁鏈的dq軸分量，id、iq為定子電流的dq軸分量，Ld、Lq為dq軸電感，ψf為與定子交鏈的永磁體磁通。

在永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，為了提高鐵芯的利用率，通常使主磁路具有一定的飽和度，對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的d軸與永磁體所產(chǎn)生的磁通方向一致即與N極對(duì)應(yīng)，因此在d軸方向上的鐵芯會(huì)達(dá)到一定的飽和，當(dāng)id> 0時(shí)，由d軸電流產(chǎn)生的磁鏈會(huì)同向疊加到永磁體所產(chǎn)生的磁鏈上，使得d軸方向上磁鏈密度大，d軸附近鐵芯飽和程度加深，磁阻增大，d軸電感減小；當(dāng)id< 0時(shí)，由d軸電流產(chǎn)生的磁鏈則會(huì)反向疊加到永磁體產(chǎn)生的磁鏈上，此時(shí)在d軸方向上磁鏈密度減小，d軸附近鐵芯飽和程度降低，磁阻減小，d軸電感增大，圖1(a)給出了這種情況下d軸電流和d軸磁鏈的關(guān)系曲線(xiàn)。

然而當(dāng)轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的d軸與永磁體產(chǎn)生磁通方向相反即與S極對(duì)應(yīng)時(shí)，若id> 0，此時(shí)由定子電流產(chǎn)生的磁鏈會(huì)反向疊加到永磁體產(chǎn)生的磁鏈上，使得d軸方向上磁鏈密度減小，d軸附近鐵芯飽和程度降低，磁阻減小，d軸電感增大；若id<0，由定子電流產(chǎn)生的磁鏈會(huì)同向疊加到永磁體產(chǎn)生的磁鏈上，在d軸方向上磁鏈密度上升，d軸附近鐵芯飽和程度加深，磁阻增大，d軸等效電感減小，圖1(b)給出了這種情況下d軸電流和d軸磁鏈的關(guān)系曲線(xiàn)。從分析可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的d軸分別與永磁體的N極或S極對(duì)應(yīng)時(shí)，id對(duì)Ld的影響將會(huì)不同，利用這種飽和效應(yīng)可以對(duì)永磁體的極性進(jìn)行判斷。

圖1 IPMSM的d軸電流和d軸磁鏈的關(guān)系曲線(xiàn)

2 基于高頻脈振電壓注入的IPMSM初始位置檢測(cè)

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中若考慮d軸上的磁鏈飽和效應(yīng)，則id和ψd的關(guān)系用泰勒級(jí)數(shù)表示可以寫(xiě)成如下形式[11]：

(2)

在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中，永磁同步電機(jī)電壓方程如下：

(3)

當(dāng)在靜止條件下給電機(jī)注入高頻的電壓信號(hào)，式(3)可以簡(jiǎn)化為：

(4)

將式(4)代入式(2)中可得到d軸分別對(duì)應(yīng)永磁體N極和S極這兩種情況下id的表達(dá)式為：

(5)

采用基于高頻脈振電壓注入的方法是在估計(jì)的轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中注入高頻的脈振電壓，并在估計(jì)轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系的電流響應(yīng)中提取出用于位置估計(jì)和極性判斷的信號(hào)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中定子電流的dq軸分量用泰勒級(jí)數(shù)可以表示為：

(6)

將式(4)代入(6)中可得：

(7)

其中ur*=ud-juq，因此在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中永磁同步電機(jī)的高頻電流響應(yīng)可以表示為：

(8)

由于實(shí)際中無(wú)法得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，將式(8)轉(zhuǎn)換到估計(jì)的轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中得：

(9)

圖2 采用高頻脈振電壓注入法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)在估計(jì)轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系下注入高頻脈振電壓Vinj時(shí)有：

(10)

電機(jī)的高頻電流響應(yīng)為：

(11)

(12)

圖3 采用高頻脈振電壓注入法的信號(hào)處理過(guò)程

3 位置觀測(cè)

圖4 帶永磁體極性判斷的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

(13)

當(dāng)n=1,3,5…為奇數(shù)時(shí)，雖然誤差矯正信號(hào)為零，但觀測(cè)器不能達(dá)到局部穩(wěn)定；當(dāng)n=0,2,4…為偶數(shù)時(shí)，誤差矯正信號(hào)為零，且觀測(cè)器能夠達(dá)到局部穩(wěn)定。特別地，當(dāng)n=0,4,8…為4的倍數(shù)時(shí)，估計(jì)的角度對(duì)應(yīng)永磁體的N極位置，此時(shí)極性判斷信號(hào)ipol=-1；當(dāng)n=2,6,10…時(shí)，估計(jì)的角度對(duì)應(yīng)永磁體的S極位置，此時(shí)極性判斷信號(hào)ipol=1。因此，通過(guò)將極性判斷信號(hào)做為位置估計(jì)的補(bǔ)償項(xiàng)，圖4的觀測(cè)器能夠準(zhǔn)確地跟蹤轉(zhuǎn)子的初始位置。

4 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證文中研究的這種初始位置檢測(cè)方法有效性，本文建立了考慮飽和效應(yīng)的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)模型，電機(jī)參數(shù)為：極對(duì)數(shù)p=4；定子電阻R=0.2 Ω；d軸定子電感Ld=5 mH；q軸定子電感Lq=8.5 mH；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.089 kg·m2；與定子交鏈的永磁體磁通ψf=0.175 Wb。兩種方法中注入高頻電壓的幅值和頻率都為30 V和500 Hz。

圖5 采用高頻脈振電壓注入法轉(zhuǎn)子在不同初始位置時(shí)的仿真結(jié)果

從圖5中可以看出采用基于高頻電壓注入的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法，估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度都能夠快速準(zhǔn)確的跟蹤轉(zhuǎn)子初始位置，無(wú)論采用哪種方法當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子初始位置間隔180°時(shí)，它們的定子電流軌跡基本相同，但從ipol信號(hào)中可以判斷出兩者轉(zhuǎn)子極性的差異，從而得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子初始位置。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了基于高頻脈振電壓注入的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法，這種方法能夠在對(duì)應(yīng)的高頻電流響應(yīng)中提取出位置估計(jì)信號(hào)。同時(shí)在高頻電流的二次諧波分量中提取出極性判別信號(hào)，從而能夠快速準(zhǔn)確地得到估計(jì)的轉(zhuǎn)子初始位置，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文研究方法的有效性。

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A Research on the Initial Position Detection Method for the Built-in Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHENG Chang-lu1,2, HU Yue-bo2

(1.Shanghai SH-Driver Electric Co., Ltd., Shanghai 200072, China;2.College of Electromechanical Engineering & Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The accuracy of the initial position of a motor determines its starting performance directly. This paper describes a detection method for the initial rotor position based on a high frequency pulsating voltage injected into the estimated reference coordinate system of the rotor. The position estimation signal is derived from the corresponding high frequency current response, and the polarity judgment signal is derived from the second harmonic element of the high-frequency current. Simulation results show that the estimated initial position of the rotor can be obtained quickly and accurately and verify the validity of the method.

permanent magnet synchronous motor; high-frequency pulsating voltage injection; initial position; position observer; simulation

上海市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(1004H142100)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.03.004

TP273

A

1000-3886(2015)03-0010-04

鄭昌陸(1974-)，男，上海人，高級(jí)工程師，博士，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)高性能控制技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。 胡月波(1990-)，男，安徽利辛人，碩士生，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù)。

定稿日期: 2014-09-26