高頻脈振信號注入永磁同步電機無濾波器初始位置辨識方法

于安博 劉 利 闞志忠 張純江

高頻脈振信號注入永磁同步電機無濾波器初始位置辨識方法

于安博1劉 利2闞志忠1張純江1

（1. 燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室 秦皇島 066004 2. 首鋼智新遷安電磁材料有限公司 唐山 064400）

針對傳統(tǒng)高頻信號注入永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置辨識方法中濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相移影響最終辨識精度的問題，提出一種無濾波器高頻脈振信號轉(zhuǎn)子初始位置辨識方法。該方法較傳統(tǒng)利用低通濾波器分離高頻信號分量方法，改進(jìn)為利用估計直軸和估計交軸響應(yīng)電流信號進(jìn)行解調(diào)，去除高頻分量，對解調(diào)后的信號進(jìn)行鎖相，辨識出轉(zhuǎn)子初始位置。提出利用磁路飽和效應(yīng)對轉(zhuǎn)子磁極極性進(jìn)行辨識的方法，提高磁極極性辨識準(zhǔn)確性。最后在永磁同步電機矢量控制平臺驗證了該方法的可行性。

永磁同步電機 初始位置辨識 高頻脈振信號 無濾波器

0 引言

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Machines，PMSM）因具有高功率密度、高效率的特點而被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、新能源發(fā)電以及航空航天等領(lǐng)域[1-2]。因其不具備自起動能力，在起動前需要獲得有效的轉(zhuǎn)子初始位置，如果獲得的轉(zhuǎn)子初始位置不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致無法以最大轉(zhuǎn)矩起動電機，甚至出現(xiàn)電機“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，從而造成起動失敗[3-6]。因此，對初始位置進(jìn)行準(zhǔn)確地辨識是完成永磁同步電機成功起動的關(guān)鍵步驟之一。

針對傳感器檢測轉(zhuǎn)子初始位置方法存在增加電機復(fù)雜度和成本、降低電機系統(tǒng)可靠性的問題[7]，相關(guān)學(xué)者提出高頻信號注入辨識方法。對于表貼式永磁同步電機，可利用高頻脈振信號[8-10]所產(chǎn)生的飽和凸極特性完成辨識；對于內(nèi)嵌式和內(nèi)埋式永磁同步電機，可利用其本身具有的結(jié)構(gòu)凸極特性，采用高頻旋轉(zhuǎn)[11]、高頻脈振信號[12-13]進(jìn)行辨識。

在辨識磁極極性的方法中，通常利用永磁同步電機磁路非線性原理進(jìn)行判斷[14-17]。常見的磁極極性辨識方法有脈沖電壓矢量法、響應(yīng)電流2次諧波法和響應(yīng)電流幅值法。文獻(xiàn)[14]采用注入短脈沖信號以辨識磁極極性的方法，該方法中短脈沖的幅值和脈寬確定不當(dāng)容易引起電機定子電流過大。文獻(xiàn)[15]利用定子響應(yīng)電流2次諧波分量辨識磁極極性，該方法存在算法復(fù)雜的缺陷，且因為電流2次諧波分量本身幅值小而導(dǎo)致采樣的電流反饋信號信噪比低，使得轉(zhuǎn)子初始位置信息易受到外界噪聲干擾，導(dǎo)致辨識結(jié)果魯棒性較差。

傳統(tǒng)的高頻信號注入法中，信號處理過程多為利用高頻正弦信號與響應(yīng)電流信號相乘，再通過濾波環(huán)節(jié)濾除高頻信號得到包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息的直流信號分量。但是濾波環(huán)節(jié)會對高頻信號的幅值和相位產(chǎn)生影響，最終影響轉(zhuǎn)子位置辨識精度[18]。濾波器不僅限制系統(tǒng)帶寬，降低轉(zhuǎn)子位置辨識速度，且實現(xiàn)高階濾波器的計算機程序占用處理器資源[19]。針對傳統(tǒng)信號處理過程中濾波環(huán)節(jié)存在的問題，相關(guān)學(xué)者提出無濾波器辨識轉(zhuǎn)子位置方法。文獻(xiàn)[16]研究了向永磁同步電機定子注入高頻旋轉(zhuǎn)信號，對電流響應(yīng)信號進(jìn)行移相和傅里葉變換提取出轉(zhuǎn)子磁極軸線初始位置，再利用電機鐵心磁飽和特性辨識轉(zhuǎn)子磁極極性。在對電流采樣信號處理過程中利用移位方法，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的移相濾波和平波濾波法，雖然此方法能夠?qū)崿F(xiàn)無濾波器轉(zhuǎn)子位置檢測，但是其信號處理計算量大。文獻(xiàn)[18]中提出利用兩次相鄰響應(yīng)電流采樣值進(jìn)行運算分離載波信號的方法，利用矢量叉乘方法解耦位置誤差信息，再通過Luenberger位置跟蹤器獲取轉(zhuǎn)子位置初次辨識值，該方法辨識誤差能小于6.9°電角度。

本文提出一種永磁同步電機高頻信號注入的轉(zhuǎn)子初始位置無濾波器辨識方法。首先向估計直軸注入高頻脈振信號，對估計直軸和估計交軸電流響應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，無需濾波器分離信號的高頻分量，通過位置跟蹤器獲得轉(zhuǎn)子磁極軸線位置；向辨識的轉(zhuǎn)子軸線位置的正、反方向分兩次注入同時包含直流偏置和高頻脈振的混合信號，根據(jù)兩次注入信號和采樣的電流響應(yīng)信號計算得到電感值的不同進(jìn)而判別磁極極性，最終實現(xiàn)無濾波器精確辨識轉(zhuǎn)子初始位置。

1 轉(zhuǎn)子軸線位置辨識

1.1 無濾波器轉(zhuǎn)子軸線位置辨識

在高頻信號作用下，因為永磁同步電機保持靜止，其運動反電動勢為零，同時定子電阻壓降可忽略不計，定子電壓方程式（1）簡化為

進(jìn)一步化簡可得

式（7）所示估計坐標(biāo)系中，估計直軸和估計交軸高頻響應(yīng)電流信號均為角頻率h的高頻正弦波，幅值隨轉(zhuǎn)子估計位置角度誤差D變化，其波形可以看作被轉(zhuǎn)子估計位置誤差D調(diào)制的正弦量，因此考慮利用估計直軸高頻電流響應(yīng)信號除估計交軸高頻電流響應(yīng)信號，構(gòu)造出一個不含正弦函數(shù)項sin(h)但包含轉(zhuǎn)子位置估計誤差D的新函數(shù)為

函數(shù)的值隨著估計角度誤差呈正弦變化趨勢，不需經(jīng)過帶通和低通濾波環(huán)節(jié)處理，直接進(jìn)行鎖相即可得到轉(zhuǎn)子磁極軸線位置。無濾波器轉(zhuǎn)子初始位置辨識控制框圖如圖1所示。

1.2 有濾波器轉(zhuǎn)子軸線位置辨識

傳統(tǒng)有濾波器高頻脈振信號注入轉(zhuǎn)子位置辨識方法是：首先利用帶通濾波器濾除載波信號和選頻輸出基波信號，然后將估計q軸電流響應(yīng)信號與調(diào)制信號sin(h)相乘，再通過低通濾波器濾除信號中高頻分量，得到轉(zhuǎn)子位置誤差信號為

對誤差信號進(jìn)行鎖相處理得到轉(zhuǎn)子磁極軸線位置，傳統(tǒng)信號處理方法如圖2所示。

由于濾波后的電流響應(yīng)信號幅值和相位發(fā)生變化，進(jìn)而增加了轉(zhuǎn)子位置辨識誤差。文中設(shè)計的低通濾波器形式為

通過帶通濾波器的高頻信號再與高頻正弦信號相乘后得到頻率升高為注入頻率二倍的高頻分量（如800Hz），設(shè)定低通濾波器自然振蕩頻率n= 50Hz，=0.707，通過相頻特性求得濾波器對信號產(chǎn)生的相移為1.627°。設(shè)定經(jīng)過兩次濾波環(huán)節(jié)后含有轉(zhuǎn)子位置估計誤差信息的定子電流表達(dá)式為

2 磁極極性辨識

通過無濾波器高頻脈振信號注入方法獲得的轉(zhuǎn)子磁極軸線位置既有可能是真實的轉(zhuǎn)子位置電角度，也可能和相差p，若要獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置，需要對磁極極性進(jìn)行辨識。

為了充分利用永磁體，一般將永磁同步電機磁路設(shè)計為接近飽和狀態(tài)[20]，當(dāng)磁路未飽和時，磁鏈與磁化電流呈線性規(guī)律，此時等效電感值接近為定值，稱此區(qū)域為磁鏈線性區(qū)；當(dāng)磁路飽和時，磁鏈與磁化電流呈非線性規(guī)律，等效電感值隨著飽和程度增強而減小，此區(qū)域為磁鏈飽和區(qū)，定子磁鏈與d軸定子電流關(guān)系如圖3所示。

圖3 定子磁鏈與d軸定子電流關(guān)系

本文提出一種基于電感量變化的改進(jìn)磁極極性辨識方法。該方法是在辨識的磁極軸線正、反方向分別施加幅值相同的直流偏置與高頻脈振混合信號，不論初次辨識得到的轉(zhuǎn)子磁極軸線與實際磁極軸線是同向還是反向，均能保證有一次直流偏置磁化電流使得永磁同步電機磁路的磁化特性進(jìn)入飽和狀態(tài)；下一次直流偏置電流使得電機磁路的磁化特性進(jìn)入線性區(qū)，增大兩次直流偏置情況下計算得到的電感差值，從而有效地解決因辨識的電感值接近而誤判磁極極性問題。

由于在辨識過程中，電機轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，由式（1）可知，估計直軸電感[21]可以表示為

圖4 基于電感差值的磁極極性辨識流程

3 仿真和實驗

3.1 無濾波器高頻脈振信號法仿真驗證

為了驗證所提方法的可行性，利用Matlab仿真軟件建立一臺內(nèi)置式永磁同步電機的仿真模型，電機仿真參數(shù)見表1。在仿真模型中向電機定子繞組注入的高頻電壓信號頻率為400Hz，永磁同步電機定子繞組所連接逆變器開關(guān)頻率為8 400Hz，注入的高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號幅值為額定電壓的0.3，即108V；磁極極性辨識過程中需要注入的高頻信號幅值為額定電壓的1/2，即180V，直流偏置給定為20A。兩次轉(zhuǎn)子軸線位置辨識角度值平均值誤差小于0.01°時，辨識程序進(jìn)入磁極極性辨識階段。

表1 電機仿真參數(shù)

Tab.1 The simulation parameters of motor

圖5 轉(zhuǎn)子位于16°時仿真結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)子位于200°時仿真結(jié)果

圖6a中，轉(zhuǎn)子實際位置為200°，初次辨識角度為18.74°；圖6b中，初次辨識角度方向的電感值大于相反方向的電感值，說明初次辨識結(jié)果與轉(zhuǎn)子實際位置相反，因此需要補償p，補償后的辨識結(jié)果為199.14°，最終誤差為0.86°。

3.2 磁極極性辨識實驗驗證

為了驗證該方法的有效性，利用一臺額定功率為16kW的IPMSM進(jìn)行實驗，實驗電機參數(shù)見表2。實驗中，功率管開關(guān)頻率為8.4kHz，注入高頻脈振信號的頻率為400Hz，幅值為60V，磁極極性辨識中注入的直流偏置為20A，高頻正弦信號幅值為30V，直流母線電壓dc=144V。采用TMS320F28335芯片實現(xiàn)控制算法，辨識結(jié)果與安裝在IPMSM上的旋轉(zhuǎn)變壓器讀取的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行對比。實驗平臺如圖7所示。

表2 實驗電機參數(shù)

Tab.2 The parameters of experiment motor

圖7 PMSM實驗平臺

圖8為傳統(tǒng)磁極極性辨識方法與改進(jìn)方法的實驗對比。圖中，1～2時間段是轉(zhuǎn)子磁極軸線位置辨識過程，2～4時間段是磁極極性辨識過程。圖8a中，2～3時間段向轉(zhuǎn)子位置初次辨識方向注入直流偏置信號為40A，高頻脈振信號頻率為400Hz，幅值為30V，系統(tǒng)穩(wěn)定后求出電感1并進(jìn)入到下一階段；3～4時間段沿著相同的方向注入直流偏置信號為60A，高頻脈振信號保持不變，穩(wěn)定后計算電感2，通過比較1和2的大小，判斷初次辨識角度是否與轉(zhuǎn)子實際角度相同。轉(zhuǎn)子實際位置為177.48°，初次辨識位置為354.24°，由于直流偏置信號沿著轉(zhuǎn)子實際位置的相反方向注入，使得永磁同步電機磁鏈進(jìn)入到線性區(qū)，兩次直流偏置下的電感值近似相等，造成極性判斷失誤。

圖8b中，為改進(jìn)磁極極性辨識實驗波形，2～3時間段向轉(zhuǎn)子位置初次辨識方向注入直流偏置信號為20A，高頻脈振信號頻率為400Hz，幅值為30V；3～4時間段內(nèi)向初次辨識角度相反方向注入直流偏置信號為20A，高頻脈振信號頻率為400Hz，幅值為30V的極性辨識信號。由于初次辨識位置與轉(zhuǎn)子實際位置方向相反，沿著初次辨識位置方向注入的直流偏置信號使永磁同步電機磁鏈進(jìn)入線性區(qū)，電感值較飽和區(qū)偏大；沿著初次辨識位置相反方向注入的直流偏置信號使磁鏈進(jìn)入飽和區(qū)，電感值偏小。由于兩次直流偏置信號使磁鏈位于不同區(qū)域，電感值的差值較大，提高了磁極極性辨識的準(zhǔn)確度。

圖8 磁極辨識方法實驗對比

3.3 無濾波器高頻脈振信號法實驗驗證

圖9為轉(zhuǎn)子實際位置為149.76°時的辨識結(jié)果，初次辨識結(jié)果為329.4°，通過對極性辨識中兩次計算得到的電感值判斷可知，初次辨識角度與轉(zhuǎn)子實際位置方向相反，對初次辨識角度進(jìn)行磁極極性補償后，最終辨識結(jié)果為149.4°，辨識誤差為0.36°。

圖9 轉(zhuǎn)子位于149.76°時實驗結(jié)果

圖10為轉(zhuǎn)子位于329.4°時的實驗辨識結(jié)果，初次辨識角度為331°，經(jīng)過磁極極性判斷過程可知，初次辨識角度位置與轉(zhuǎn)子實際位置相同，不需要磁極極性補償，最終辨識角度為331°，辨識誤差為1.6°。

圖10 轉(zhuǎn)子位于239.4°時實驗結(jié)果

在永磁同步電機一個電角度周期中取任意角度進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置辨識，辨識過程中改變注入高頻脈振信號的幅值和頻率，最終辨識誤差如圖11所示。圖11a中，注入高頻脈振信號頻率為400Hz，幅值為0.4dc，辨識平均誤差為2.63°，最大誤差為7.6°；圖11b中，注入高頻脈振信號頻率為400Hz，幅值為0.5dc，辨識平均誤差為2.68°；圖11c中，注入高頻脈振信號頻率為800Hz，幅值為0.4dc，辨識平均誤差為2.75°。對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，注入高頻信號的頻率和幅值對轉(zhuǎn)子初始位置辨識結(jié)果無影響。

圖11 無濾波器辨識方法實驗誤差

圖12為采用傳統(tǒng)高頻脈振信號法在一個電角度周期內(nèi)的辨識誤差，實驗中注入高頻信號頻率為400Hz，幅值為0.4dc，最大誤差為9.36°，平均誤差為4.56°。

圖12 傳統(tǒng)辨識方法實驗誤差

對比傳統(tǒng)高頻脈振信號法和無濾波器高頻脈振信號法在相同注入信號條件下實驗誤差可知，所提出方法平均實驗誤差與傳統(tǒng)方法相比減小1.93°，最大實驗誤差減小1.76°，對辨識精度有顯著的提高，充分說明無濾波器高頻脈振信號法的可行性。

4 結(jié)論

本文對無濾波器高頻脈振信號注入永磁同步電機辨識轉(zhuǎn)子初始位置方法進(jìn)行了研究，仿真和實驗結(jié)果表明：

1）本文所提出的方法能夠在永磁同步電機靜止條件下快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置辨識，能夠有效地克服傳統(tǒng)高頻脈振信號法中因濾波器相移所導(dǎo)致的辨識精度降低的問題，同時消除注入高頻脈振信號幅值對辨識結(jié)果的影響。

2）對傳統(tǒng)磁極極性辨識方法進(jìn)行改進(jìn)，利用正反方向直流偏置下電感大小判斷極性，有效地避免了磁鏈位于線性區(qū)時由于電感值近似相等造成的辨識失敗情況。

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Initial Position Identification of PMSM with Filterless High Frequency Pulse Signal Injection Method

1211

（1. Key Laboratory of Power Electronics for Energy Conservation and Drive Control of Hebei Province Yanshan University Qinhuangdao 066004 China 2. Shougang Zhixin Qian’an Electromagnetic Material Co. Ltd Tangshan 064400 China）

A method is proposed to identify the rotor initial angle using high-frequency pulse signal injection into a permanent magnet synchronous motor (PMSM). This method, briefly called filterless high frequency pulse signal injection, is an improvement on the traditional identification of the rotor initial angle. Firstly, the function of rotor initial angle error is calculated from stator current high-frequency response instead of using a low-pass filter, then, the initial rotor angle is obtained through a phase-locked loop. The method of identifying the rotor polarity is also modified using the saturation effect of the magnetic circuit, which improves the polarity identification of the rotor magnet. Finally, the proposed scheme has been verified by experiments on an 16kW interior permanent magnet synchronous motor platform.

Permanent magnet synchronous motor, initial position identification, high frequency pulse signal, filterless

TM351

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191818

河北省自然科學(xué)基金資助項目（E2018203152）。

2019-12-30

2020-05-11

于安博 男，1981年生，博士，研究方向為永磁同步電機控制技術(shù)、新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)集成技術(shù)。E-mail: hbxtyuanbo@163.com

張純江 男，1961年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子變換器拓?fù)浼翱刂啤⒖稍偕茉捶植际桨l(fā)電技術(shù)、逆變電源及并聯(lián)并網(wǎng)、微電網(wǎng)及儲能功率流控制等。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）