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內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（Interior Permanent MagnetSynchronous Machine, IPMSM）具有效率高、功率密度大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家用電器、電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電和航空航天等領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制，在轉(zhuǎn)子初始位置未知的情況下起動(dòng)，可能導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)電流大，無法起動(dòng)，甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)等問題。因此，準(zhǔn)確地辨識(shí)轉(zhuǎn)子初始位置對(duì)提高永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制性能至關(guān)重要。

目前，常見的電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)方法主要有電壓脈沖注入法和高頻信號(hào)注入法兩類。電壓脈沖注入法是在直軸注入一系列正負(fù)對(duì)稱的電壓脈沖信號(hào)，利用電流響應(yīng)的峰值獲得轉(zhuǎn)子初始位置，但該方法需多次注入電壓脈沖信號(hào)，隨著電壓矢量方向逼近轉(zhuǎn)子真實(shí)位置，電流響應(yīng)的峰值差距減小，辨識(shí)位置的信噪比降低。

高頻信號(hào)注入法包括高頻電流信號(hào)注入法和高頻電壓信號(hào)注入法兩種。高頻電流信號(hào)注入法是注入高頻電流信號(hào)，提取高頻響應(yīng)電壓辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置，該方法的性能受電流環(huán)PI參數(shù)影響較大。高頻電壓注入法主要有高頻旋轉(zhuǎn)正弦電壓注入法、高頻脈振電壓注入法以及高頻方波電壓注入法。

高頻旋轉(zhuǎn)正弦電壓注入法和高頻脈振電壓注入法均為高頻正弦信號(hào)注入，需要使用濾波器來獲取高頻響應(yīng)電流信號(hào)，然后使用該信號(hào)辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置，濾波器的使用降低了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

針對(duì)該問題，高頻方波電壓注入法被提出。該方法在直軸注入高頻方波電壓，提取交軸上的高頻響應(yīng)電流來辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置，該方法注入高頻方波信號(hào)，可直接通過對(duì)相鄰采樣電流作差獲取高頻響應(yīng)電流幅值，因此提取轉(zhuǎn)子位置不需要使用濾波器。

但是，由于該方法中觀測(cè)器的輸入信號(hào)為交軸高頻響應(yīng)電流幅值，此信號(hào)為位置誤差信號(hào)的正弦函數(shù)，存在多個(gè)零點(diǎn)，使得獲取轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)的閉環(huán)調(diào)節(jié)收斂時(shí)間長；同時(shí)，該方法是基于電機(jī)凸機(jī)效應(yīng)，無法辨識(shí)磁極極性；此外，該方法的交軸高頻響應(yīng)電流信號(hào)與電機(jī)電感參數(shù)相關(guān)，需要使用電感參數(shù)將該信號(hào)進(jìn)行歸一化來保證觀測(cè)器參數(shù)設(shè)計(jì)的通用性。

針對(duì)上述問題，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員提出了一種基于高頻正交方波電壓注入的轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)方法。

圖2 高頻正交方波電壓注入轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)原理圖

圖10 IPMSM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先，通過將正交的高頻方波電壓信號(hào)注入靜止坐標(biāo)軸，利用靜止坐標(biāo)軸系下高頻響應(yīng)電流信號(hào)辨識(shí)磁極位置；然后，在注入高頻正交方波電壓信號(hào)的同時(shí)，向直軸注入一個(gè)低頻正弦電流信號(hào)，電機(jī)的飽和程度和交直軸電感將產(chǎn)生變化，引起高頻響應(yīng)電流變化，通過對(duì)比低頻正弦電流的正負(fù)峰值附近的高頻響應(yīng)電流的幅值來辨識(shí)磁極極性（N極、S極)。

該方法可直接通過求反正切獲得轉(zhuǎn)子磁極位置電角度，不需要通過閉環(huán)調(diào)節(jié)獲得磁極位置信號(hào)，響應(yīng)速度快，且工程實(shí)現(xiàn)容易。為了使得速度觀測(cè)器參數(shù)設(shè)計(jì)具有通用性，研究人員將反正切得到的信號(hào)作為速度觀測(cè)器輸入信號(hào)，避免了速度觀測(cè)器參數(shù)設(shè)計(jì)依賴電感參數(shù)。最后在1.5kWIPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了該方法的有效性和準(zhǔn)確性，并得出如下結(jié)論：

• 1）該方法能準(zhǔn)確辨識(shí)轉(zhuǎn)子初始位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子在不同位置時(shí)，辨識(shí)的轉(zhuǎn)子初始位置電角度誤差均小于4°；轉(zhuǎn)子初始位置辨識(shí)全過程時(shí)長可小于30ms。
• 2）該方法具有較好起動(dòng)性能，突加突卸負(fù)載等動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。
• 3）詳細(xì)分析磁極極性辨識(shí)所用的低頻正弦電流的幅值和頻率選取原則。

以上研究成果已發(fā)表在2019年第19期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于高頻正交方波電壓注入的永磁同步電機(jī)初始位置辨識(shí)”，作者為姜燕、劉思美、羅德榮、黃守道、吳軒。