09.21 学术动态：一种新型内置式永磁同步电机初始位置检测方法

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有高功率密度、高转矩密度、高效率等优点，在数控伺服、机电传动、电动汽车等领域中得到了广泛应用

^[1]。实时精确地检测转子位置信息是实现永磁同步电机驱动系统矢量控制的前提。

目前，主要采用机械式位置传感器（如霍尔传感器^[2]、旋转变压器^[3]）检测电机转子位置，这种方式增加了系统成本，增大了体积，降低了可靠性，尤其是在一些特殊工况下，位置传感器应用受限。

以数控机床为例，电机起动次数多，频繁正反转，而且要求控制精度非常高。因此永磁同步电机需要精确检测转子初始位置，以实现高效可靠地起动，否则，电机的起动转矩会减小，或导致电机失步，甚至导致电机反转^[4]。

目前，已有文献对永磁同步电机初始位置检测技术进行了研究^[5-14]。主要有脉冲电压矢量法^[6]和高频信号注入法^[8-14]（High Frequency Injection, HFI）两种方法，其中，脉冲电压矢量注入法直接向电机依次注入一系列幅值和作用时间相等、方向不同的电压矢量，而高频信号注入法需将注入电压（电流）叠加在原有基波电压（电流）上。

文献[6]提出采用脉冲电压矢量法检测转子的初始位置，向电机定子绕组中注入一系列幅值和作用时间相等、方向不同的脉冲电压矢量，基于电机定子铁心的非线性饱和特性，通过对比响应电流的幅值大小估计出转子磁极位置。该方法易于实现，但随着电压矢量不断逼近转子磁极位置，电流幅值变化不大，同时相电流测量误差、逆变器非线性等都会影响测量的精度^[7,8]。

文献[9,10]中高频信号注入法是往电机定子绕组中注入高频电压信号，基于电机的空间凸极性，高频电压信号感应出的高频电流响应中含有转子的位置信息，通过提取高频电流响应中的转子位置信息来获得转子位置。

文献[12]提出在估计的旋转轴系或两相静止轴系注入高频正弦电压信号的方法，从高频电流响应中获得转子位置信息，该方法在提取转子位置信息时需要对高频电流响应进行解耦和滤波，解耦过程复杂、运算量大，同时滤波器的使用会带来时间延迟和幅值畸变等问题，工程设计较为复杂^[13,14]。

针对现有的初始位置检测方法存在的问题，湖南大学电气与信息工程学院的吴婷、王辉等，在2018年第15期《电工技术学报》上撰文，以内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）为研究对象，提出了一种基于高频方波注入的新型转子初始位置检测方法，该方法通过向定子绕组注入高频方波电压信号，根据其响应电流的变化量来检测转子的磁极位置。

该方法无需对高频电流响应进行解耦和滤波，简化了高频电流信号的处理过程，同时，在已检测的转子磁极位置基础上注入正反脉冲电压矢量，通过比较 A相响应电流幅值的大小来判断转子磁极极性。

注入电压信号的频率大小对转子初始位置估计精度有重要影响。一般来说，注入电压信号频率确定在电流控制带宽和开关频率之间，当注入电压频率增加时，无传感器的动态响应性能提高，并且可以减少注入信号与电流控制的基波分量之间的干扰^[15]。

但当方波电压注入频率高于开关频率（通常为5～10 kHz），d轴的高频电感由于感应饱和而降低，电机高频凸极率（L_qh/L_dh）增加，二次谐波增加，且这些谐波的幅值随注入电压频率的增加而增加，从而导致位置估计误差增加。

当注入电压频率低于电流控制带宽时，闭环控制跟踪性能降低，速度控制环带宽减少。通过注入频率与PWM开关频率相同的电压信号，其中电流采样在PWM开关周期中进行三次， 注入信号可以容易地与基频分离，并且可以提高速度/转矩控制性能。

本文所提出的方法在1.5 kW内置式永磁同步电机驱动系统平台进行了实验验证。实验结果表明该方法准确有效，且易于实现。