基于高頻方波信號注入的永磁同步電機初始位置檢測方法研究*

呼子茗 朱景偉 王高林 楊 旭

基于高頻方波信號注入的永磁同步電機初始位置檢測方法研究*

呼子茗1, 2朱景偉1王高林2楊 旭2

(1. 大連海事大學船舶電氣工程學院 大連 116026；2. 哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001)

針對表貼式永磁同步電機，使用高頻方波信號注入法，對其初始位置檢測技術展開研究。對高頻方波信號注入法和磁極辨別技術進行理論分析和公式推導，得到轉子初始位置的表達式。利用Matlab/Simulink軟件搭建永磁同步電機矢量控制系統和初始位置檢測系統，仿真結果表明該方法可以準確獲得轉子初始位置信息，誤差為0.05 rad。最后編寫初始位置檢測和磁極極性辨別的程序，在電機平臺上進行硬件試驗，試驗結果表明該方法可以準確地獲取轉子的初始位置信息，誤差為0.018 rad。

永磁同步電機；無位置傳感器控制；高頻注入法；初始位置檢測

1 引言

近年來，由于直流電機驅動系統具有制造成本高、結構復雜、壽命短、保養維護工作量大等缺點，使得交流調速系統有很大優勢。磁場定向控制技術、直接轉矩控制技術等高性能控制理論的發展，也為交流電機的發展提供了很大幫助。

永磁同步電機具有起動轉矩大、能量密度高、體積小、重量輕、結構簡單等優點，近幾年永磁同步電機受到廣泛的關注，有學者總結了過去、現在、將來的發展情況[1]，有些學者研究新型控制算 法[2-3]，有些學者使用新型功率器件作為電機驅動[4-5]。但是永磁同步電機系統結構復雜，有多個變量，變量之間相互耦合，因此對其進行控制需要先解耦，解耦后，再分別對各個參數進行控制[6-7]。永磁同步電機的控制方法主要有矢量控制和直接轉矩控制兩種。

在使用矢量控制時，需要轉子位置信息，通常的做法是在電機軸系安裝機械位置傳感器，通過機械位置傳感器獲得轉子位置信息、速度信息。但是機械位置傳感器的存在，不僅大大降低了系統的穩定性，也額外增加了產品的成本。因此無位置傳感器控制技術很有優勢，應用該技術可以提高系統的穩定性，降低成本、提高產品競爭力。

當前，對永磁同步電機無位置傳感器技術的研究十分火熱。當電機運行于中、高速時，有學者常使用模型法來獲取轉子位置[8-9]，這類方法應用廣泛，比較成熟。當電機運行于零、低速時，常用基于電機凸極性的控制方法來獲取轉子位置[10]，其中包含注入零電壓矢量的研究[11-12]，基于高頻電壓注入法的研究[13-14]，控制注入噪聲的研究[15-16]。

永磁同步電機起動時需要轉子的初始位置信息[17]。常用的永磁同步電機初始位置檢測方案是“吸合”法，即通過在定子繞組施加開環電壓矢量，使轉子轉到指定位置，以實現電機起動。“吸合”法雖然簡單可行，但是使用該方法會導致電機起動前軸系轉動，許多場合不允許此現象發生，因此研究不改變電機軸系位置的檢測方法有很重要的意義。

脈沖電壓注入法也可以檢測永磁同步電動機轉子的初始位置[18]。脈沖電壓注入法是向定子繞組注入不同方向的脈沖信號，對采集到的定子電流進行分析，找到電感值最小的位置，得到轉子的初始位置。然而，如果要提高轉子初始位置的檢測精度，需要增加測試信號的密集程度，也需要更長的檢測時間。

基于高頻信號注入的永磁同步電機初始位置檢測具有更好的效果[19-20]。該方法使用平均值為零的測試信號，不產生非零的電磁轉矩，因此不會讓電機轉動。本文采用高頻方波信號注入法檢測永磁同步電動機轉子的初始位置，并用仿真和試驗結果驗證所提電機轉子初始位置檢測方法的有效性。

2 基于高頻方波信號注入的轉子初始位置檢測

2.1 永磁同步電機數學模型

為研究永磁同步電機特性進而進行無位置傳感器控制，首先進行永磁同步電機數學模型的建立。經推導得到永磁同步電機在高頻信號響應下的數學模型為

2.2 高頻方波信號注入法檢測磁極位置

圖1是轉子初始位置檢測方法的整體結構圖。轉子初始位置檢測算法包括轉子位置誤差獲取和磁極極性判斷兩個部分。

圖1 轉子初始位置檢測方法整體結構圖

首先是轉子位置誤差的獲取。在進行初始位置檢測時，系統沒有轉速環和電流環，高頻方波信號直接注入到估計的軸，估計的軸為0。經過Park逆變換后，送給七段式空間矢量脈沖寬度調制模塊(Space vector pulse width modulation, SVPWM)，調制信號輸出到逆變器上。然后，對定子電流進行一系列處理，最后獲得轉子初始位置信息。

注入的高頻方波信號為

圖2是永磁同步電機的坐標系示意圖。

定子電流從-軸變換到-軸

將式(4)和式(5)代入到式(1)中并進行整理和化簡得

對式(7)進行差分運算，可以得到

最后利用公式計算角度差為

這樣，通過PI觀測器可以得到轉子位置信息。

2.3 轉子磁極辨識策略

永磁同步電機的氣隙磁場由永磁體產生的磁場和電樞反應產生的磁場兩部分組成。空載條件下，永磁體磁鏈被設計在臨界飽和點處，當永磁體勵磁磁場和電樞反應磁場同向時，合成磁場強度變大，鐵心飽和程度會變大，磁導率下降，定子電感減小；當永磁體勵磁磁場和電樞反應磁場反向時，合成磁場強度變小，磁導率變大，定子電感變大，利用這個特性來判斷磁極極性。

3 仿真驗證

3.1 矢量控制系統仿真驗證

仿真時采用的表貼式永磁同步電機，型號為SM060R20B30M0AD，額定電壓為36 V，額定轉矩為0.637 N·m，具體參數如表1所示，和試驗時的參數相同。

表1 永磁同步電機的參數

3.2 初始位置檢測方法仿真驗證

永磁同步電機的矢量控制仿真后，進行位置檢測的仿真，其中包括高頻信號注入、轉子位置誤差的獲取和磁極辨別三個部分。

將采集到的三相電流經過Clark變換后得到靜止兩相坐標系下的電流；由于定子電流中包含開關管的15 kHz的高頻信號，需要首先進行低通濾波，截止頻率選為3 kHz。然后根據式(3)進行計算，得到轉子位置誤差信號，送入PI觀測器，得到了轉子位置。其中P為2 180，I為240，正限幅為10，負限幅為-10。

轉子初始位置檢測的仿真結果如圖3所示。圖3中轉子的實際位置是4.254 rad。在0.015 s以后，估測的轉子位置正確跟蹤到了實際的轉子位置，誤差在0.02 rad以內。

在傣族眾多的口傳與非物質文化遺產中，最具有代表性的是有傣族文學的繼承、傳播和創新者之稱的“贊哈”。“贊哈”是西雙版納一帶演唱說唱音樂的民間歌手。在傣語中， “贊”是“能手”、“匠人”的意思，“哈”是“歌唱”之意，故“贊哈”是指歌手。“贊哈”是不脫離生產勞動的半職業性的歌手，他們極受老百姓的愛戴和尊重，與傣族的生活有很密切的聯系，民間很多重大的活動，如逢年過節、蓋新房、婚嫁、祭幡、升和尚等，都要邀請“贊哈”演唱。正如傣族民間諺語所說：“沒有贊哈，就像菜里沒有鹽巴，生活里沒有糯米一樣。”

圖3 初始位置檢測仿真結果

圖4是當轉子位于4.254 rad時的磁極辨別結果，此時不需要進行補償，即加0 rad。圖5是當轉子位于7.399 rad時觀測到的轉子位置，可以發現此時觀測到的位置與轉子位于4.254 rad時相同(圖3)，估測的依然為4.254 rad；圖6為此時的磁極辨別結果，可以發現需要補償prad，補償后得到最終正確的位置7.399 rad。

圖4 轉子位于4.254 rad時的磁極辨別

圖5 轉子位于7.399 rad時的位置檢測

圖6 轉子位于7.399 rad時的磁極辨別

圖7 初始位置檢測(0～2p)

從圖7可以看出，估測的轉子位置與實際的轉子位置誤差比較小，均在0.05 rad范圍內。

4 硬件試驗驗證

4.1 試驗平臺介紹

采用合肥中科深谷科技發展有限公司的電機平臺進行試驗，如圖8所示，電機平臺由電機對拖平臺、電機驅動控制試驗箱、上位機和軟件包組成。

圖8 試驗平臺

此平臺可以由搭建的Simulink模型自動生成DSP程序，簡化了試驗流程，使用起來比較方便。配套的上位機可以實時觀察4個參數的波形圖，6個參數的值，并將數據儲存到記事本文件中。試驗平臺采用的永磁同步電機參數如表1所示。

電機驅動控制箱由控制板、電機驅動板、電源板、通訊板和底板構成。其中主控芯片為TMS320F28335，該芯片具有150 MHz高速處理能力，性能能夠滿足電機控制時的大量運算。電機自帶增量式位置傳感器，作為實際轉子位置來驗證算法的正確性。

4.2 電機控制系統程序設計

試驗驗證的整體思路為先用吸合的方式正常起動永磁同步電機，然后利用位置傳感器使其定位到某一已知位置后停止轉動，啟動初始位置檢測程序，得到試驗結果。下面將從矢量控制及位置環的搭建、初始位置檢測部分的搭建兩個部分來說明初始位置檢測的實物構成。

基礎控制部分由電流環、轉速環、位置環、SVPWM模塊、PWM發生器、ADC采集、上位機通信、定時器中斷等部分構成，整體是在矢量控制的基礎上增加了位置環，其中參數如表2所示。

表2 控制環的參數

在完成矢量控制及位置環的搭建后，開始進行初始位置檢測部分的搭建。

注入的高頻信號是定時器中斷產生的。配置一個2 kHz的定時器，在定時器中斷中對一變量進行翻轉，再對幅值進行處理得到了頻率為1 kHz、幅值為1 V的方波。注入方波信號后，對采集到的定子電流進行處理，和仿真部分相似，先經過濾波，再經過運算得到誤差信號，再由PI觀測器得到轉子位置，最后進行磁極極性辨別，得到最后的結果。調試后P參數為0.1，I參數為0.05。

4.3 試驗結果及分析

如圖9所示是上位機截圖，實線方框內是實際的轉子位置4.187 rad，虛線方框內是估測的轉子位置4.205 rad，誤差0.018 rad。

圖9 上位機截圖

如圖10所示是實際的轉子位置。從圖10中可以看出，在位置環和矢量控制的作用下，電機轉到電角度4.187 rad后，保持在靜止狀態。

如圖11所示是估測的轉子位置波形圖。從圖11中可以看出來，估測轉子位置為4.205 rad。

圖12和圖13分別為硬件試驗過程中的相和相的電流變化情況。

圖10 實際轉子位置

圖11 估測轉子位置

圖12 a相電流

圖13 b相電流

5 結論

永磁同步電機具有高功率密度、高效率的優點，在工業和民用電機驅動系統中得到越來越廣泛的應用。無位置傳感器算法對于驅動系統降低成本、提高系統容錯運行能力具有巨大優勢。本文研究了基于高頻信號注入的表貼式永磁同步電機的初始位置檢測，并且結合磁極辨別技術獲取初始位置信息以代替位置傳感器。本文主要研究工作和研究結果如下。

(1) 針對表貼式永磁同步電機，使用高頻信號注入法，對其初始位置檢測進行了研究。首先向定子繞組注入高頻方波信號，然后對采集到的定子電流進行濾波、計算等一系列操作，最后得到初始位置信息。

(2) 研究了表貼式永磁同步電機的磁極辨別技術。根據定子鐵心飽和的原理，通過對軸電流求平均值的方式，獲得了轉子的磁極極性。

(3) 搭建了Simulink仿真，仿真結果表明初始位置檢測和磁極極性辨別是正確的，誤差在0.05 rad內。

(4) 在基于TMS320F28335主控芯片的電機平臺上進行硬件試驗驗證，試驗結果表明算法是正確的，誤差在0.018 rad之內。

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Research on Initial Position Detection Method of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on High Frequency Square Wave Signal Injection

HU Ziming1, 2ZHU Jingwei1WANG Gaolin2YANG Xu2

(1. School of Marine Electrical Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026；2. School of Electrical Engineering & Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)

The initial position detection technology of surface mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) is studied by using high frequency square wave signal injection method. Firstly, the high frequency square wave signal injection method and the magnetic pole discrimination technique are theoretically analyzed and the formula is deduced to obtain the expression of the initial position of the rotor. Then, the vector control system and the initial position detection system of permanent magnet synchronous motor (PMSM) are built by Matlab/Simulink. The simulation results show that the method can accurately obtain the initial position information of the rotor with an error of 0.05 rad. Finally, the program of initial position detection and pole polarity identification is written, and the hardware experiment is carried out on the motor platform. The experimental results show that the method can accurately obtain the initial position information of the rotor, and the error is 0.018 rad.

PMSM；sensorless control；high frequency injection method；initial position detection

10.11985/2021.04.010

TM341

* 國家自然科學基金資助項目(51777024)。

20210701收到初稿，20211018收到修改稿

呼子茗，男，1999年生。主要研究方向為永磁電機控制技術。E-mail：13165561871@163.com

朱景偉(通信作者)，男，1963年生，博士，教授，博士研究生導師。主要研究方向為交流電機優化設計及其控制技術。E-mail：zjwdl@dlmu.edu.cn

王高林，男，1978年生，博士，教授，博士研究生導師。主要研究方向為交流電機驅動技術、交流電機無傳感器控制技術、無電解電容器電機驅動系統、寬禁帶功率器件在電機系統的應用、電機參數辨識與狀態監測技術、同步磁阻電機驅動控制技術、永磁直驅式電梯控制技術、電機高效再制造能效提升技術。E-mail：WGL818@hit.edu.cn

楊旭，男，1994年生，碩士。主要研究方向為永磁同步電機無傳感器控制技術。E-mail：1415552112@qq.com