內置式永磁同步電機轉子初始位置檢測方法

廖曉文，劉桂雄

（1.廣東石油化工學院，廣東茂名525000；2.華南理工大學，廣東廣州510640）

內置式永磁同步電機轉子初始位置檢測方法

廖曉文1，2，劉桂雄2

（1.廣東石油化工學院，廣東茂名525000；2.華南理工大學，廣東廣州510640）

內置式永磁同步電機（IPMSM）轉子磁極初始位置檢測準確度對電機啟動性能的影響非常關鍵。在推導高頻旋轉電壓注入法正序、負序響應電流基礎上，提出一種利用兩路新型跟蹤微分器（NTD）輸出信號相位差求解轉子磁極初始位置的新方法。該方法無需PI調節器或龍貝格觀測器，僅涉及母線電壓、高頻信號電角度及交、直軸電感4個參數。實驗結果表明該方法可使轉子磁極初始位置在4ms內收斂到真實值附近，最大估計誤差0.082 rad。

內置式永磁同步電機；轉子初始位置；新型跟蹤微分器；高頻旋轉電壓注入

1 IPMSM轉子初始位置檢測方法

圖1為本文提出的IPMSM轉子初始位置檢測原理框圖。圖中通過SVPWM算法產生高頻旋轉信號注入內置式永磁同步電機IPMSM。設高頻信號幅值為us、電角度為θe，兩相靜止坐標系α、β軸電壓為usα、usβ，電機A、B相電流為ia、ib，通過CLARK變換得到的兩相靜止坐標系電流為isα、isβ。則利用isα、isβ、θe及新型跟蹤微分器NTD1、NTD2可得轉子初始磁極位置角θr。

圖1 IPMSM轉子初始位置檢測原理框圖

定義高頻信號瞬時合成矢量ν相對于兩相靜止坐標系α軸角度為θe，轉子磁極初始位置方向為d軸，q軸為d軸的交軸，則d軸相對α軸夾角為θr（即轉子磁極初始位置角），圖2為θe、θr夾角相互關系圖。

在兩相靜止坐標系下，注入幅值為us、角頻率為ω的高頻電壓信號（如圖1所示），則所形成定子磁鏈為

令d、q軸電感為Ld、Lq，L=（Ld+Lq）/2，ΔL=（Lq-Ld）/2。由逆PARK變換及交直軸互感原理[11]，兩相靜止坐標系下的電感矩陣為

若注入信號幅值us較小，轉子磁鏈對定子磁鏈影響很小，這時有：

圖2 θr、θe夾角關系圖

令高頻正序、負序電流幅值分別為

由式（1）、式（3）可得：

上式左端Isncos（2θr-2θe）包含轉子磁極初始位置角θr，而θe=ωt為已知量。但直接利用-isαsinθe-isβcosθe+ Isp計算值估算θr，其檢測結果受電流測量、母線電壓波動及交、直軸電感參數誤差等因素影響。下面討論應用雙NTD的方法。

令Z=[z1（t），z2（t）]T∈R2為系統∑狀態變量，t∈[0，T]，輸入信號u（t）=-isαsinθe-isβcosθe+Isp，u（t）的有效信號跟蹤值、微分信號為z1（t）、z2（t），可得NTD1為

由式（5）對（-isαsinθe-isβcosθe+Isp）計算值進行處理得到的Isncos（2θr-2θe）存在延時，在此引入另一路相同參數的NTD2處理Isncos（-2θe），抵消延時對檢測結果影響，得到相位差θr。

2 實驗分析

實驗采用博美得公司生產的SM8013型IPMSM，Ld=6mH、Lq=13mH，轉子極對數4；旋轉高頻電壓us= 60V、ω=500Hz，電流采樣間隔時間0.05ms。

實驗采用NTD1、NTD2參數均為：R=100，a=24，b=18，α=0.6，β=1，δ=0.1。NTD2處理Isncos（-2θe）獲得有相同相位滯后信號，根據編碼器的脈沖信號，手動調節轉子磁極到π/3、π/4、π/6處。圖3為isα電流波形圖（模擬了母線諧波、電流采樣斬波干擾），圖4～圖6分別為利用NTD1、NTD2處理后的Isncos（2θr-2θe）信號圖，橫坐標為時間，縱坐標采用歸一化值表示電流大小。可以看出，經過NTD1、NTD2處理后可獲清晰Isncos（2θr-2θe）。圖7為根據過零點及butterworth濾波器獲取的θr曲線圖，θr能在4ms內收斂到真實值，最大估計誤差0.082 rad。

圖3 兩相靜止坐標系i sα電流波形

圖4 θr=π/3時NTD1、NTD2輸出曲線

圖5 θr=π/4時NTD1、NTD2輸出曲線

圖6 θr=π/6時NTD1、NTD2輸出曲線

圖7 低通濾波后的θr

3 結束語

轉子磁極初始位置檢測準確度，對啟動性能影響很大。論文創新性在于基于外差法設計了一種利用兩路NTD輸出信號相位差求解轉子磁極初始位置的新方法。主要特點在于：方法對擾動不敏感，NTD可快速獲取Isncos（2θr-2θe）的真實值；轉子磁極初始位置檢測結果有小幅波動，但不影響啟動性能；NTD參數調節簡易，相對外差法而言，無需高頻正序電流濾波，并省卻了龍貝格觀測器及PI調節器。

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A method of rotor initial position detection for interior permanent magnet synchronous motor

LIAO Xiaowen1，2，LIU Guixiong2
（1.Guangdong Institute of Petrol-Chemical Technology，Maoming 525000，China；2.South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Accurate detection of the initial position of rotor magnetic poles will largely influence the startup performance of interior permanent magnet synchronous motors（IPMSM）.A new method using the phase difference of two new-type tracking differentiators（NTD）to detect the initial position of the rotor poles is thus proposed based on the derivation of positive and negative sequence currents of high frequency rotation voltage signals.The method is needless of any PI regulator or Luenberger observer；it involves bus voltage，electrical angles of high-frequency signals，and inductances of direct and quadric axis instead.The experimental results show that the initial position of the rotor poles can be converged to a place near the true value in 4ms.The maximum detection error is 0.082rad.

interior permanent magnet synchronous motor；initial rotor position；new-type tracking differentiator；high frequency rotation voltage injection

A文章編號：1674-5124（2015）08-0103-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.024

0 引言

內置式永磁同步電機（interior permanent magnetsynchronous motor，IPMSM）轉子磁極初始位置對于啟動時刻的矢量控制解耦非常重要。高頻信號注入法是目前主流的無需位置傳感器的初始位置檢測方法[1-2]，包括高頻旋轉電壓、高頻脈動電壓兩種信號注入法。高頻旋轉電壓信號注入法將檢測到的電流信號轉換到與高頻載波電壓同步的參考坐標系，濾除正序及基波分量，再采用外差處理法獲取誤差信號作為龍貝格觀測器或鎖相環輸入，進而估算出轉子磁極初始位置。但該方法基波電流、調節器與直流母線諧波對位置估計結果影響甚大[3-5]。高頻脈動電壓信號注入法基于高頻信號在0°，180°注入高頻阻抗最大，而在90°，270°注入高頻阻抗最小原理檢測轉子磁極初始位置，但該方法受到電機結構非理想特性影響較大[6-8]，能提取掩埋在噪聲中的微弱信號但函數形式復雜[9]。本文在前期研究中提出了一種新型跟蹤微分器（novel tracking differentiator，NTD），在保持擾動抑制及信號跟蹤能力的同時，大大簡化其形式[10]。本文將該NTD應用于高頻旋轉電壓注入法的正序、負序分量處理，探討一種IPMSM初始位置檢測的新方法。方法僅與母線電壓、高頻信號電角度及交、直軸電感4個參數有關，無需PI調節器或龍貝格觀測器，實現簡單方便。

2015-01-10；

2015-03-09

茂名市科技計劃項目（201309）

廣東高校石油化工故障診斷與信息化控制工程技術開發中心開放基金項目（512029）

廖曉文（1977-），男，廣東連州縣人，講師，碩士，主要從事機電一體化、智能檢測方面的教學與研究工作。