- 頭條永磁同步電機初始位置辨識的新方法，準確簡便響應快2021-03-29 作者：姜燕 劉思美 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語傳統高頻方波電壓注入法辨識內置式永磁同步電機的轉子初始位置時，存在多個零點，閉環調節收斂時間長，無法準確辨識磁極極性等問題，導致電機起動失敗甚至反轉。為此，湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員姜燕、劉思美、羅德榮、黃守道、吳軒，在2019年第19期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于高頻正交方波電壓注入的轉子初始位置辨識方法。
內置式永磁同步電機（Interior Permanent MagnetSynchronous Machine, IPMSM）具有效率高、功率密度大等特點，被廣泛應用于家用電器、電動汽車、新能源發電和航空航天等領域。永磁同步電機的無位置傳感器控制，在轉子初始位置未知的情況下起動，可能導致電機起動電流大，無法起動，甚至出現反轉等問題。因此，準確地辨識轉子初始位置對提高永磁同步電機無位置傳感器控制性能至關重要。
目前，常見的電機轉子初始位置辨識方法主要有電壓脈沖注入法和高頻信號注入法兩類。電壓脈沖注入法是在直軸注入一系列正負對稱的電壓脈沖信號，利用電流響應的峰值獲得轉子初始位置，但該方法需多次注入電壓脈沖信號，隨著電壓矢量方向逼近轉子真實位置，電流響應的峰值差距減小，辨識位置的信噪比降低。
高頻信號注入法包括高頻電流信號注入法和高頻電壓信號注入法兩種。高頻電流信號注入法是注入高頻電流信號，提取高頻響應電壓辨識轉子位置，該方法的性能受電流環PI參數影響較大。高頻電壓注入法主要有高頻旋轉正弦電壓注入法、高頻脈振電壓注入法以及高頻方波電壓注入法。
高頻旋轉正弦電壓注入法和高頻脈振電壓注入法均為高頻正弦信號注入，需要使用濾波器來獲取高頻響應電流信號，然后使用該信號辨識轉子位置，濾波器的使用降低了系統動態性能。
針對該問題，高頻方波電壓注入法被提出。該方法在直軸注入高頻方波電壓，提取交軸上的高頻響應電流來辨識轉子位置，該方法注入高頻方波信號，可直接通過對相鄰采樣電流作差獲取高頻響應電流幅值，因此提取轉子位置不需要使用濾波器。
但是，由于該方法中觀測器的輸入信號為交軸高頻響應電流幅值，此信號為位置誤差信號的正弦函數，存在多個零點，使得獲取轉子磁極位置信號的閉環調節收斂時間長；同時，該方法是基于電機凸機效應，無法辨識磁極極性；此外，該方法的交軸高頻響應電流信號與電機電感參數相關，需要使用電感參數將該信號進行歸一化來保證觀測器參數設計的通用性。
針對上述問題，湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員提出了一種基于高頻正交方波電壓注入的轉子初始位置辨識方法。
圖2 高頻正交方波電壓注入轉子初始位置辨識原理圖
圖10 IPMSM實驗平臺
首先，通過將正交的高頻方波電壓信號注入靜止坐標軸，利用靜止坐標軸系下高頻響應電流信號辨識磁極位置；然后，在注入高頻正交方波電壓信號的同時，向直軸注入一個低頻正弦電流信號，電機的飽和程度和交直軸電感將產生變化，引起高頻響應電流變化，通過對比低頻正弦電流的正負峰值附近的高頻響應電流的幅值來辨識磁極極性（N極、S極)。
該方法可直接通過求反正切獲得轉子磁極位置電角度，不需要通過閉環調節獲得磁極位置信號，響應速度快，且工程實現容易。為了使得速度觀測器參數設計具有通用性，研究人員將反正切得到的信號作為速度觀測器輸入信號，避免了速度觀測器參數設計依賴電感參數。最后在1.5kWIPMSM驅動系統實驗平臺上驗證了該方法的有效性和準確性，并得出如下結論：
- 1）該方法能準確辨識轉子初始位置，當轉子在不同位置時，辨識的轉子初始位置電角度誤差均小于4°；轉子初始位置辨識全過程時長可小于30ms。
- 2）該方法具有較好起動性能，突加突卸負載等動態響應快。
- 3）詳細分析磁極極性辨識所用的低頻正弦電流的幅值和頻率選取原則。
以上研究成果已發表在2019年第19期《電工技術學報》，論文標題為“基于高頻正交方波電壓注入的永磁同步電機初始位置辨識”，作者為姜燕、劉思美、羅德榮、黃守道、吳軒。
