一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法.pdf

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2018年4月电工技术学报Vol.33No.7第33卷第7期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYApr.2018DOI：

10.19595/ki.1000-6753.tces.170161一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法黄科元陈忠强黄守道（湖南大学电气与信息工程学院长沙410082）摘要解决无位置传感器永磁同步电机（PMSM）控制系统起动困难的关键在于准确的转子初始位置检测。

该文在分析了永磁同步电机绕组磁路饱和度与电感值以及永磁体转子位置与绕组电流的关系的基础上，设计了一种电流差值检测方法，定子三相绕组任意选通两相，另一相悬空，正反方向注入电压脉冲，得到响应电流差值，根据电流差值得到转子初始位置，同时辨识出转子NS极。

为了克服注入的电压脉冲在绕组中产生的剩磁影响采样电流准确性的问题，提出了一种抵消剩磁的脉冲注入方式，从而提高转子初始位置检测的准确性。

实验结果验证了该方法简单可靠，不受转子凸极结构限制，可同时适用于面贴式和内嵌式永磁同步电机，检测过程保持完全静止，具有很高的工程实用性。

关键词：

永磁同步电机转子初始位置电流差值检测剩磁中图分类号：

TM341AInitialRotorPositionEstimationMethodforPMSMBasedonInductanceSaturationEffectHuangKeyuanChenZhongqiangHuangShoudao（CollegeofElectricalandInformationEngineeringHunanUniversityChangsha410082China）AbstractTheinitialrotorpositiondetectionaccuracyisthekeyofsolvingthestartdifficultyinPMSMsensor-lesscontrol.Basedontheanalysisoftherelationshipbetweenthemagneticcircuitsaturationwithinductancevalueofpermanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）,therelationshipbetweentherotorpositionandthewindingcurrent,designacurrentdifferencedetectionmethod,Arbitrarilyselectedtwophasewinding,theotherphasewindingisdisconnected,thevoltagepulsesareinjectedintheforwardandreversedirectionsofthewinding,therotorpositioniscalculatedandtheNSpolesaredistinguished.Inordertoeliminatetheimpactofthecurrentsamplingaccuracyresultfromtheresidualmagneticfluxgeneratedbyvoltagepulse,amethodofpulseinjectionwhichcaneliminatetheinfluenceofresidualfluxisproposedinthispaper.Itcanimprovetheaccuracyoftheinitialrotorpositionangledetection.Theexperimentalresultsverifythatthemethodissimpleandreliable,andisnotlimitedbythesalientpolestructureoftherotor,anditcanbeappliedtobothsurfacemountandembeddedmotor.Thedetectionprocessremainstherotorcompletelystaticandhasgreatvalueofpracticalengineering.Keywords：

Permanentmagnetsynchronousmotor,rotorinitialposition,currentdifferencedetection,residualmagneticflux湖南省重点研发计划项目（2015GK2004）、国家自然科学基金项目（51707062）和中国博士后科学基金项目（2016M602407）资助。

收稿日期2017-02-20改稿日期2017-06-08第33卷第7期黄科元等一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法15090引言无位置传感器永磁同步电机控制系统在转子初始位置未知的情况下起动，可能引起电机暂时反转、起动电流大、失步甚至无法起动等问题1,2，如何准确快速地获得转子初始位置，是无位置传感器永磁同步电机控制系统快速起动的关键。

针对永磁同步电机的转子初始位置定位和检测，文献3提出了一种转子预定位法，即施加固定位置信息的电流矢量，将转子强制拖拽到固定位置。

该方法控制简单，但定位过程中存在转子振动和旋转等问题，这也限制了其应用于预定位过程中要求保持转子静止的场合。

文献4-6提出基于反电动势模型的转子位置检测方法，但在静止情况下无法辨识转子初始位置。

文献7提出一种改进型的旋转电压脉冲注入检测法，基于绕组电感饱和效应注入电压矢量，检测矢量电流计算出转子初始位置，辨识过程需要施加多个方向的脉冲电压，随着电压矢量向真实转子位置不断逼近,电流响应的幅值差异越来越小，幅值判断更加困难。

文献8,9提出了一种基于线电感变化特征的永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法通过注入高频电压脉冲进行线电感辨识，利用辨识出的线电感计算出转子初始位置，但对于电感值的计算过于复杂。

文献10-12提出一种基于旋转高频信号注入检测法，通过对三相高频电压信号的电流响应处理解算出转子初始位置信息，该方法算法复杂，三相电流处理需要额外的低通滤波硬件支持。

文献13提出一种改进的五电压矢量注入方式，提高了转子初始位置估算的精度，但并未考虑剩磁对于估算精度的影响。

文献7-13所提方法在检测出转子初始位置的同时都不能区分转子NS极，利用转子磁路饱和效应，需要额外在检测的转子初始位置正反方向注入电压脉冲，比较电流响应大小来辨识转子NS极，确定转子初始位置0=+或者=+，存在出错率高的问题。

针对以上方法存在的问题，本文在分析了永磁同步电机绕组磁路饱和度与电感值以及永磁体转子位置与绕组电流的关系的基础上，设计了一种基于电感饱和效应的电流差值检测方法。

首先，选通定子三相绕组任意两相，另一相绕组悬空。

然后，正反方向注入等幅值的电压脉冲，经过时间t测得电流响应，计算响应电流差值，根据电流差值得到转子初始位置，同时根据电流差值的正负辨识出转子NS极。

为了克服注入的电压脉冲在绕组中产生的剩磁影响采样电流准确性的问题，提出了一种抵消剩磁的脉冲注入方式，利用剩磁对于不同方向注入的脉冲起增磁或去磁作用的特点来抵消其影响，从而提高转子初始位置检测的准确性。

实验结果验证了该方法简单可靠，不受转子凸极结构限制，可同时适用于面贴式和内嵌式永磁同步电机，检测过程保持完全静止，易于工程实现。

1转子初始位置检测基础理论分析1.1线圈电感受转子位置和绕组电流的影响永磁同步电机绕组磁路饱和度与永磁体转子位置和绕组电流有关，影响电感值的大小。

永磁同步电机按照转子永磁体安装形式可分为面贴式、嵌入式和内装式。

嵌入式和内装式永磁同步电机属于凸极式永磁同步电机，由于永磁体的影响导致dqLL，0=+；0i，=+。

转子初始位置即转子N极指向的位置，无需额外脉冲注入单独辨识转子NS极。

本文方法解决了传统方法需要单独辨识磁极、对转子结构敏感、磁极辨识出错率高等问题。

2.2一种消除剩磁影响的电压脉冲注入方法实验发现采用图4所示的电压脉冲注入方式得到的转子初始位置误差很大，分析知电压脉冲注入后在绕组中产生的剩磁对响应电流的影响很大，影响了电流采样精度，导致转子初始位置辨识精度不高。

以CA相绕组为例分析剩磁对响应电流的影响，在CA相绕组注入5电压脉冲前，注入C相绕组前一电压脉冲为4与5电压脉冲方向相同，注入A相绕组的前一电压脉冲为2与5电压脉冲方向也相同，由于剩磁的影响，导致测量结果偏大。

在CA相绕组注入6电压脉冲前，注入C相绕组前一电压脉冲为5与6电压脉冲方向相反，注入A相绕组的前一电压脉冲为2与6电压脉冲方向也相反，由于剩磁的影响，导致测量结果偏小。

因此由式（8）得到的电流差值则变大，导致由式（10）解算的转子初始位置不准确。

为了消除上述电压脉冲注入方式存在剩磁影响电流响应精度，导致转子初始位置辨识精度低的问题，提出一种改进电压脉冲注入方式如图6所示。

同样以CA相绕组为例说明，在CA相绕组注入5电压脉冲前，注入C相绕组前一电压脉冲为3与5电压脉冲方向相反，注入A相绕组的前一电压脉冲为4与5电压脉冲方向相同，这样就能够抵消剩磁导致的磁饱和问题。

同理，CA相绕组注入2电压脉冲前，注入C相绕组前一电压脉冲为6与2电压脉冲方向相反，注入A相绕组的前一电压脉冲为1与2电压脉冲方向也相同，产生的相反方向的剩磁正好抵消掉。

图6b为普通电压脉冲注入方式和改进电压脉冲注入方式下CA相绕组的电流响应。

可以看出，改进电压脉冲注入方式消除了剩磁对电流响应的影响，提高了电流差值精度。

图6改进电压脉冲注入方式Fig.6Improvedinjectionmodeofvoltagepulse3实验分析为了验证本文方法的适用性，以一台面贴式永磁同步电机（凸极电机电感饱和效应更加明显，因而更易于实现）为实验对象，电机参数见表1。

整个控制系统采用TI公司的TMS320F28034DSP芯片，开发环境CCS6.1，主电路为三相电压源逆变器。

第33卷第7期黄科元等一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法1513表1样机参数Tab.1Prototypeparameters参数数值额定功率/kW额定电压/V2.2380额定电流/A3.5定子相电阻Rs/0.86定子交直轴电感Ls/mH11.3额定转速/（r/min）3000极对数4为验证本文方法的正确性和可行性，首先采用磁场定向的方法将电机转子拖到100，然后采用本文方法进行实验辨识转子初始位置。

本文提出任意选通两相绕组注入等幅值电压脉冲，经过时间t测得电流响应。

三相电压源逆变器注入电压幅值U=300V，开关频率和电流采样频率相同。

为了得到选通绕组的RL零状态响应，电压脉冲注入持续1个开关周期。

根据电机额定电流，给定初始的开关频率，注入电压脉冲，根据采样电流大小调节开关频率，将采样电流值达到样机额定电流最大值的开关频率作为实验开关频率。

本实验中开关频率设定为5kHz，电压脉冲注入持续时间200s，采样时间t=200s，相邻电压脉冲注入间隔时间为400s。

因为电压脉冲注入时间短，远小于电机机械响应时间，电压脉冲注入过程电机转子保持静止。

采样时间t的测定过程如图7所示。

图7采样时间t的测定过程Fig.7Determinationofsamplingtimet图8为采用普通电压脉冲注入方式得到的A、B、C三相绕组6电压脉冲电流响应。

在采样时间t=200s处，AB、BC、CA相绕组的电流响应和电流差值分别为：

ABi=4.972A，BAi=4.765A，ABi=0.207A；BCi=4.927A，CBi=5.187A，BCi=0.26A；CAi=4.834A，ACi=4.520A，CAi=0.314A。

将电流差值代入式（10）求得arctan（2.761）109.91=，误差9.91=。

图8普通电压脉冲注入方式电流响应Fig.8Currentresponseoftheconventionalpulseinjectionmode图9为采用改进电压脉冲注入方式得到的A、B、C三相绕组电流响应。

在开始注入电压脉冲前，为了消除AB相绕组剩磁的影响，分别在AC、CB相绕组预注入5、6电压脉冲，两次预注入电压脉冲对电流不采集处理。

按照图7所示的改进方式注入6电压脉冲。

同样在采样时间t=200s处，AB相绕组得到的电流响应为：

ABi=4.894A，BAi=4.757A，ABi=0.137A；BCi=4.782A，CBi=4.995A，BCi=0.213A；CAi=4.817A，ACi=4.531A，CAi=0.286A。

将电流差值代入式（10）求得arctan（4.290）=103.12，误差3.12=。

从实验结果可以看出改进电压脉冲注入方式有效提高了转子初始位置的检测精度和可靠性。

图9改进电压脉冲注入方式电流响应Fig.9Currentresponseoftheimprovedinjectionmode采用普通电压脉冲注入方式和改进电压脉冲注入方式各进行15次实验，实验辨识结果如图10所示。

实验结果表明普通电压脉冲注入方式下电流受剩磁影响较大，导致转子初始位置辨识精度不高，实验中最大误差达到了20。

使用改进电压脉冲注入方式，抵消了剩磁的影响，误差值控制在6以内，提高了辨识的精度和可靠性。

为排除实验的偶然性，对电机0360每隔30进行位置检测，分别对比了普通电压脉冲注入方式和改进电压脉冲注入方式的可靠性和精确度，实验结果如图11所示。

经多1514电工技术学报2018年4月次实测，普通电压脉冲注入方式平均误差约12。

改进电压脉冲注入方式优化了剩磁的影响，平均误差约5，可以满足绝大部分应用场合的精度要求。

图10辨识结果对比Fig.10Comparisonofidentificationresults图11转子初始位置检测误差对比Fig.11Errorcomparisonofrotorinitialpositiondetection图12为给定电机转速1000r/min时加速运行过程的转速和电流波形。

电机采用基于电流模型的无速度控制15，用光电编码器实测转速作为参照。

由图中虚线框看出，电机起动前，按照图6改进电压脉冲注入方式注入电压脉冲，基于本文电流差值检测方法检测转子初始位置，可以看出检测过程电机保持静止，检测精度高，起动平稳。

图12给定电机转速1000r/min时加速运行过程的转速和电流Fig.12Speedandcurrentwaveformsofacceleratedoperationduringagivenmotorspeedof1000r/min4结论本文设计了一种基于电感饱和效应的电流差值检测永磁同步电机转子初始位置的方法。

为了克服注入的电压脉冲在绕组中产生的剩磁影响采样电流准确性的问题，提出了一种抵消剩磁的脉冲注入方式，从而提高了转子初始位置检测的准确性。

该方法不受转子凸极结构限制，可同时适用于面贴式和内嵌式永磁同步电机，脉冲注入时间短，注入脉冲次数少，检测过程转子保持完全静止，实验验证了该方法的有效性和实用性。

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