摘 要：本文針對面貼式永磁同步電機(surface mounted permanent magnet synchronous motor, SPMSM)，研究了零速和低速下無位置傳感器控制。首先，理論分析了SPMSM 飽和凸極性的基本原理，闡述了基于脈振高頻電壓注入法轉子位置檢測的基本原理，研究了磁極極性判斷的方法，進而，提出了一種脈振高頻電壓注入法和轉子擾動觀察法相結合的初始位置檢測方法。該方法首先利用脈振高頻電壓注入法進行轉子位置的初步檢測，然后在估算的交軸上注入一個適當的電壓擾動量，使轉子產生一個微小的機械轉動，利用估算轉速的方向來判斷磁極的極性。相較于傳統方法，無需在電機直軸上注入較大的電壓脈沖，對永磁體不會造成增磁或去磁效應。最后，對所提方法進行了仿真和實驗驗證，結果表明該方法可以有效實現電機任意位置的初始位置檢測、起動及穩態運行。
關鍵詞：永磁同步電機 無位置傳感器 高頻信號注入 初始位置檢測
1.引言
永磁同步電機(PMSM)無論是采用矢量控制(SVC)或是直接轉矩控制(DTC)，都需要精確檢測電機的轉子位置。通常，利用機械式傳感器(光電編碼盤和旋轉變壓器等)檢測電機的轉子位置，它的使用增加了系統的復雜性和成本，降低了可靠性，也限制了PMSM 在某些特殊場合的應用。因此，PMSM 無位置傳感器控制一直是研究熱點[1-6]。
PMSM 無位置傳感器控制從原理上可以劃分為兩類，一類方法是基于基波模型，包括磁鏈估計法、模型參考自適應法和滑模觀測器法等[7-10]。這類方法基于反電勢估計電機的轉子位置，因此不能適用于零速和低速階段。另一類是基于諧波模型，包括旋轉高頻信號注入法和脈振高頻信號注入法[11-12]。這類方法通常在電機三相繞組上注入特定的電壓(電流)信號，利用電機的凸極性，從其電流(電壓)響應中分離出轉子的位置信息。該類方法對電機參數的變化較不敏感，具有良好的魯棒性，能夠較好地實現低速和零速下的電機轉子位置估計。相比于內埋式永磁同步電機(IPMSM)，面貼式永磁同步電機(SPMSM)因其直軸和交軸電感近似相等，不具備物理結構上的凸極性，實現無位置傳感器控制的難度更大。有學者提出利用直軸電感存在飽和特性，來構造出電機的凸極性，以實現面貼式永磁同步電機無位置傳感器控制[13-14]。
本文在分析了SPMSM 飽和凸極性的基礎之上，研究了脈振高頻電壓注入法基本原理，進而提出了一種轉子初始位置檢測方法。該方法利用脈振高頻電壓注入法進行轉子位置的初步檢測，在此基礎上，在估算的交軸上注入一個電壓擾動量，使得電機產生一個微小轉動，然后根據估算轉速的方向判斷磁極極性，并作出補償。最后通過仿真和實驗驗證了該方法的正確性，實現了電機的初始位置檢測和低速無位置運行。
2.SPMSM 飽和凸極性
對于SPMSM，由于永磁體磁導率近似等于氣隙，通常情況下交、直軸電感相等;但由于永磁體的磁路特性,使得在一定情況下電機的直軸磁路比交軸磁路容易飽和，導致直軸電感比交軸電感小，此時SPMSM呈現出一定的飽和凸極性，這就是電感飽和效應[15]。SPMSM 的氣隙磁場由轉子永磁體磁場、定子電流磁場合成產生的。其中，轉子永磁體產生的氣隙磁場為ψ f ，直軸磁路的ψ − i特性曲線可近似為圖1所示。直軸磁路的工作點由永磁體自身決定，在設計電機時，為了增加永磁體的使用率，增加電機的功率密度，一般使得電機的永磁體工作在臨界飽和點，如點A 所示。由于永磁體的飽和效應，此時在通入相等的正負向直軸電流時，通入正向電流時磁鏈的增加值將小于通入負向電流時磁鏈的減小值。若定義Ld + 為直軸正向電感， Ld − 為直軸負向電感，有如下關系式：
3.脈振高頻電壓法注入法基本原理
3.1 脈振高頻注入法基本原理
忽略磁滯和渦流損耗，SPMSM 電壓方程的標準形式為
從式(6)可以看出，估計坐標系ˆ q 軸上的響應電流的幅值與估算位置誤差相關。當估計位置與實際位置足夠相近時， ˆiqh接近于零。因此，通過檢測包含位置估算誤差信息的軸高頻響應電流，經適當的信號處理提取其高頻響應電流的幅值信號f (Δθ )，作為調節器的輸入。調節器的輸出作為估計的轉速和位置的反饋信號，在調節器的作用下，使得其輸入信號即高頻響應電流的幅值為零，即使得估算位置誤差為零。調節系統框圖如圖3所示
綜上所述，電機無位置控制在初始位置檢測時有兩個收斂位置，一個是Δθ = 0，一個是Δθ =π ，需要對這兩種情況進行區別，即一般文獻所述的初始位置檢測時的磁極極性判斷。目前已有的方法是在完成初次位置估算后，利用直軸的正負向電感不同，通過在直軸上注入等幅等寬的正負脈沖電壓，根據其響應電流的上升或者下降時間來判斷磁極極性。本文提出了一種方法來判斷轉子的磁極極性，該方法通過在交軸上注入一個轉矩分量，使得電機產生一個微小角度的擾動，通過判斷其估算速度的方向來判斷轉子磁極的極性。
在完成初始位置估算后，在估算的交軸上注入一個正向脈沖分量。當估算位置為Δθ =0時，此時注入信號將產生一個正向的轉矩脈動，電機正轉，估算位置跟蹤實際位置，故估算轉速為正。當估算位置為Δθ =π ，此時在估算位置上注入正向的轉矩脈動，相當在實際位置上注入一個負向的轉矩脈動，電機將反轉，估算位置跟蹤實際位置，所以得到的估算轉速將負。因此通過判斷估計轉速的方向就可以判斷磁極極性。
4.仿真研究
為了驗證所提的初始位置判斷方法及脈振高頻電壓注入法的正確性，在MATLAB 中搭建了仿真模型，其結構框圖如圖5 所示。SPMSM 參數如下：額定功率400W，額定電流為2.2A，直軸電感為8mH，交軸電感為8mH，每相電樞繞組的電阻為3.2Ω，轉動慣量為0.42 kg·cm2。
仿真時長為1s，給定轉速為100rpm，在0-0.1s 完成初始位置初次估計，在0.1-0.15s 在交軸上的擾動信號為一個斜坡信號，該斜坡信號產生轉矩擾動使得電機估計轉速發生變化，通過檢測估算轉速變化的正負方向，來判斷磁極極性，并進行估算位置的補償。0.2s后完成初始位置估算，控制系統的速度環和電流環開始工作，進行無位置傳感器控制。文中，用于脈振高頻電壓注入的直軸電壓信號幅值為20V，頻率為1000Hz;用于轉子擾動觀測法的交軸注入電壓為0 到1V 斜坡擾動量。
6.結論
本文針對脈振高頻電壓注入無位置傳感器控制方法進行研究，分析了電機飽和凸極效應，并推導了脈振高頻電壓注入法的數學模型。在此基礎上提出了一種基于脈動高頻電壓注入和轉子擾動觀察相結合的初始位置判斷方法，并對電機的初始判斷方法進行理論分析。該方法利用脈振高頻電壓注入法完成位置的初步估算后，再給電機估算的交軸上注入一個適當的電壓擾動量，使電機產生一個微小的機械轉動，利用估算的速度來判斷電機的磁極極性。該方法無需再直軸上注入較大正負脈沖電流，對永磁體影響較小，并且控制簡單。仿真和實驗證明，該方法，可以快速精確的獲得電機轉子位置，實現電機的低速無位置傳感器控制。
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