于安博 劉 利 闞志忠 張純江

高頻脈振信號(hào)注入永磁同步電機(jī)無濾波器初始位置辨識(shí)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(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)傳統(tǒng)高頻信號(hào)注入永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)方法中濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生的相移影響最終辨識(shí)精度的問題，提出一種無濾波器高頻脈振信號(hào)轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)方法。該方法較傳統(tǒng)利用低通濾波器分離高頻信號(hào)分量方法，改進(jìn)為利用估計(jì)直軸和估計(jì)交軸響應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，去除高頻分量，對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行鎖相，辨識(shí)出轉(zhuǎn)子初始位置。提出利用磁路飽和效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁極極性進(jìn)行辨識(shí)的方法，提高磁極極性辨識(shí)準(zhǔn)確性。最后在永磁同步電機(jī)矢量控制平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的可行性。

永磁同步電機(jī) 初始位置辨識(shí) 高頻脈振信號(hào) 無濾波器

0 引言

永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Machines，PMSM）因具有高功率密度、高效率的特點(diǎn)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(dòng)能力，在起動(dòng)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(huì)導(dǎo)致無法以最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)電機(jī)，甚至出現(xiàn)電機(jī)“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，從而造成起動(dòng)失敗[3-6]。因此，對(duì)初始位置進(jìn)行準(zhǔn)確地辨識(shí)是完成永磁同步電機(jī)成功起動(dòng)的關(guān)鍵步驟之一。

針對(duì)傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置方法存在增加電機(jī)復(fù)雜度和成本、降低電機(jī)系統(tǒng)可靠性的問題[7]，相關(guān)學(xué)者提出高頻信號(hào)注入辨識(shí)方法。對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，可利用高頻脈振信號(hào)[8-10]所產(chǎn)生的飽和凸極特性完成辨識(shí)；對(duì)于內(nèi)嵌式和內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)，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(hào)[12-13]進(jìn)行辨識(shí)。

在辨識(shí)磁極極性的方法中，通常利用永磁同步電機(jī)磁路非線性原理進(jìn)行判斷[14-17]。常見的磁極極性辨識(shí)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(hào)以辨識(shí)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(jī)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(shí)磁極極性，該方法存在算法復(fù)雜的缺陷，且因?yàn)殡娏?次諧波分量本身幅值小而導(dǎo)致采樣的電流反饋信號(hào)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(shí)結(jié)果魯棒性較差。

傳統(tǒng)的高頻信號(hào)注入法中，信號(hào)處理過程多為利用高頻正弦信號(hào)與響應(yīng)電流信號(hào)相乘，再通過濾波環(huán)節(jié)濾除高頻信號(hào)得到包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息的直流信號(hào)分量。但是濾波環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)高頻信號(hào)的幅值和相位產(chǎn)生影響，最終影響轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)精度[18]。濾波器不僅限制系統(tǒng)帶寬，降低轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)速度，且實(shí)現(xiàn)高階濾波器的計(jì)算機(jī)程序占用處理器資源[19]。針對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)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(shí)轉(zhuǎn)子位置方法。文獻(xiàn)[16]研究了向永磁同步電機(jī)定子注入高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)，對(duì)電流響應(yīng)信號(hào)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(jī)鐵心磁飽和特性辨識(shí)轉(zhuǎn)子磁極極性。在對(duì)電流采樣信號(hào)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(cè)，但是其信號(hào)處理計(jì)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(yùn)算分離載波信號(hào)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(shí)值，該方法辨識(shí)誤差能小于6.9°電角度。

本文提出一種永磁同步電機(jī)高頻信號(hào)注入的轉(zhuǎn)子初始位置無濾波器辨識(shí)方法。首先向估計(jì)直軸注入高頻脈振信號(hào)，對(duì)估計(jì)直軸和估計(jì)交軸電流響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，無需濾波器分離信號(hào)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(shí)的轉(zhuǎn)子軸線位置的正、反方向分兩次注入同時(shí)包含直流偏置和高頻脈振的混合信號(hào)，根據(jù)兩次注入信號(hào)和采樣的電流響應(yīng)信號(hào)計(jì)算得到電感值的不同進(jìn)而判別磁極極性，最終實(shí)現(xiàn)無濾波器精確辨識(shí)轉(zhuǎn)子初始位置。

1 轉(zhuǎn)子軸線位置辨識(shí)

1.1 無濾波器轉(zhuǎn)子軸線位置辨識(shí)

在高頻信號(hào)作用下，因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)保持靜止，其運(yùn)動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)為零，同時(shí)定子電阻壓降可忽略不計(jì)，定子電壓方程式（1）簡(jiǎn)化為

進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得

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

函數(shù)的值隨著估計(jì)角度誤差呈正弦變化趨勢(shì)，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(shí)控制框圖如圖1所示。

1.2 有濾波器轉(zhuǎn)子軸線位置辨識(shí)

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

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

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

通過帶通濾波器的高頻信號(hào)再與高頻正弦信號(hào)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(duì)信號(hào)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(jì)誤差信息的定子電流表達(dá)式為

2 磁極極性辨識(shí)

通過無濾波器高頻脈振信號(hào)注入方法獲得的轉(zhuǎn)子磁極軸線位置既有可能是真實(shí)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(duì)磁極極性進(jìn)行辨識(shí)。

為了充分利用永磁體，一般將永磁同步電機(jī)磁路設(shè)計(jì)為接近飽和狀態(tài)[20]，當(dāng)磁路未飽和時(shí)，磁鏈與磁化電流呈線性規(guī)律，此時(shí)等效電感值接近為定值，稱此區(qū)域?yàn)榇沛溇€性區(qū)；當(dāng)磁路飽和時(shí)，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(qiáng)而減小，此區(qū)域?yàn)榇沛滐柡蛥^(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(shí)方法。該方法是在辨識(shí)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(hào)，不論初次辨識(shí)得到的轉(zhuǎn)子磁極軸線與實(shí)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(jī)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(jī)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(jì)算得到的電感差值，從而有效地解決因辨識(shí)的電感值接近而誤判磁極極性問題。

由于在辨識(shí)過程中，電機(jī)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，由式（1）可知，估計(jì)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(shí)流程

3 仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1 無濾波器高頻脈振信號(hào)法仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方法的可行性，利用Matlab仿真軟件建立一臺(tái)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的仿真模型，電機(jī)仿真參數(shù)見表1。在仿真模型中向電機(jī)定子繞組注入的高頻電壓信號(hào)頻率為400Hz，永磁同步電機(jī)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(hào)幅值為額定電壓的0.3，即108V；磁極極性辨識(shí)過程中需要注入的高頻信號(hào)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(shí)角度值平均值誤差小于0.01°時(shí)，辨識(shí)程序進(jìn)入磁極極性辨識(shí)階段。

表1 電機(jī)仿真參數(shù)

Tab.1 The simulation parameters of motor

圖5 轉(zhuǎn)子位于16°時(shí)仿真結(jié)果

圖6 轉(zhuǎn)子位于200°時(shí)仿真結(jié)果

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

3.2 磁極極性辨識(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的有效性，利用一臺(tái)額定功率為16kW的IPMSM進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)中，功率管開關(guān)頻率為8.4kHz，注入高頻脈振信號(hào)的頻率為400Hz，幅值為60V，磁極極性辨識(shí)中注入的直流偏置為20A，高頻正弦信號(hào)幅值為30V，直流母線電壓dc=144V。采用TMS320F28335芯片實(shí)現(xiàn)控制算法，辨識(shí)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(duì)比。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

表2 實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

Tab.2 The parameters of experiment motor

圖7 PMSM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8為傳統(tǒng)磁極極性辨識(shí)方法與改進(jìn)方法的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。圖中，1～2時(shí)間段是轉(zhuǎn)子磁極軸線位置辨識(shí)過程，2～4時(shí)間段是磁極極性辨識(shí)過程。圖8a中，2～3時(shí)間段向轉(zhuǎn)子位置初次辨識(shí)方向注入直流偏置信號(hào)為40A，高頻脈振信號(hào)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(shí)間段沿著相同的方向注入直流偏置信號(hào)為60A，高頻脈振信號(hào)保持不變，穩(wěn)定后計(jì)算電感2，通過比較1和2的大小，判斷初次辨識(shí)角度是否與轉(zhuǎn)子實(shí)際角度相同。轉(zhuǎn)子實(shí)際位置為177.48°，初次辨識(shí)位置為354.24°，由于直流偏置信號(hào)沿著轉(zhuǎn)子實(shí)際位置的相反方向注入，使得永磁同步電機(jī)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(shí)實(shí)驗(yàn)波形，2～3時(shí)間段向轉(zhuǎn)子位置初次辨識(shí)方向注入直流偏置信號(hào)為20A，高頻脈振信號(hào)頻率為400Hz，幅值為30V；3～4時(shí)間段內(nèi)向初次辨識(shí)角度相反方向注入直流偏置信號(hào)為20A，高頻脈振信號(hào)頻率為400Hz，幅值為30V的極性辨識(shí)信號(hào)。由于初次辨識(shí)位置與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置方向相反，沿著初次辨識(shí)位置方向注入的直流偏置信號(hào)使永磁同步電機(jī)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(shí)位置相反方向注入的直流偏置信號(hào)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(hào)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(shí)的準(zhǔn)確度。

圖8 磁極辨識(shí)方法實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.3 無濾波器高頻脈振信號(hào)法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖9為轉(zhuǎn)子實(shí)際位置為149.76°時(shí)的辨識(shí)結(jié)果，初次辨識(shí)結(jié)果為329.4°，通過對(duì)極性辨識(shí)中兩次計(jì)算得到的電感值判斷可知，初次辨識(shí)角度與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置方向相反，對(duì)初次辨識(shí)角度進(jìn)行磁極極性補(bǔ)償后，最終辨識(shí)結(jié)果為149.4°，辨識(shí)誤差為0.36°。

圖9 轉(zhuǎn)子位于149.76°時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10為轉(zhuǎn)子位于329.4°時(shí)的實(shí)驗(yàn)辨識(shí)結(jié)果，初次辨識(shí)角度為331°，經(jīng)過磁極極性判斷過程可知，初次辨識(shí)角度位置與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置相同，不需要磁極極性補(bǔ)償，最終辨識(shí)角度為331°，辨識(shí)誤差為1.6°。

圖10 轉(zhuǎn)子位于239.4°時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在永磁同步電機(jī)一個(gè)電角度周期中取任意角度進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)，辨識(shí)過程中改變注入高頻脈振信號(hào)的幅值和頻率，最終辨識(shí)誤差如圖11所示。圖11a中，注入高頻脈振信號(hào)頻率為400Hz，幅值為0.4dc，辨識(shí)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(hào)頻率為400Hz，幅值為0.5dc，辨識(shí)平均誤差為2.68°；圖11c中，注入高頻脈振信號(hào)頻率為800Hz，幅值為0.4dc，辨識(shí)平均誤差為2.75°。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，注入高頻信號(hào)的頻率和幅值對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)結(jié)果無影響。

圖11 無濾波器辨識(shí)方法實(shí)驗(yàn)誤差

圖12為采用傳統(tǒng)高頻脈振信號(hào)法在一個(gè)電角度周期內(nèi)的辨識(shí)誤差，實(shí)驗(yàn)中注入高頻信號(hào)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(shí)方法實(shí)驗(yàn)誤差

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

4 結(jié)論

本文對(duì)無濾波器高頻脈振信號(hào)注入永磁同步電機(jī)辨識(shí)轉(zhuǎn)子初始位置方法進(jìn)行了研究，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

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

2）對(duì)傳統(tǒng)磁極極性辨識(shí)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(shí)由于電感值近似相等造成的辨識(shí)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(xiàng)目（E2018203152）。

2019-12-30

2020-05-11

于安博 男，1981年生，博士，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)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?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q器拓?fù)浼翱刂?、可再生能源分布式發(fā)電技術(shù)、逆變電源及并聯(lián)并網(wǎng)、微電網(wǎng)及儲(chǔ)能功率流控制等。E-mail: zhangcj@ysu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）