【原创分享】永磁同步电机初始转子位置检测技术的研究现状

电路

01概述：
转子初始位置对电机的起动性能至关重要，不准确的转子位置轻则导致起动电流增大，重则导致转子出现反转甚至起动失败，因此对于无机械式位置传感器的永磁同步电机控制系统，准确的转子初始位置检测是必要的。根据检测过程中转子是否转动将初始位置检测方法分为两类：
1）转子产生转动的方法，如转子初始预定位法和低频旋转电压注入法等；
2）转子保持静止的方法，如电感参数矩阵法、系列等幅反向电压脉冲法、六组等宽电压脉冲法、旋转高频信号注入法、脉振高频信号注入法等。
02转子初始预定位法：
转子初始预定位法是在电机启动之前，直接在电机的定子绕组中作用一个幅值和方向恒定的电压矢量，并持续一定时间，该电压矢量会产生一个垂直方向的转矩分量，拖动转子旋转，直至转子永磁体的 N 极方向与该电压矢量方向一致，从而将转子直接定位到了指定位置。转子始预定位法的原理如图一所示，图中dq轴系代表实际转子位置，dVqV轴系，当向定子通入合成电流矢量is时，它在实际交轴方向的分量isq所产生的转矩会拖动转子至dV轴方向。该方法原理简单，实现方便，但是当施加的电压矢量方向与永磁体S极方向接近时，定子绕组产生的旋转力矩很小，很可能无法拖动转子旋转，使得检测误差在 180°附近。为解决该问题，可以在定子绕组中依次施加三个互差 120°的电压矢量，将转子逐步拖动到预期位置，该方法降低了电压矢量的幅值，同时也提高了预定位方法的可靠性。然而，这类方法存在以下不足：1）定位过程转子会发生转动，且转动方向不固定；2）电机带载时难以获得较准确的初始位置。

图一：转子初始预定位法的原理

03低频旋转电压注入法：
低频旋转电压注入法在定子绕组中叠加低频旋转电压矢量，该电压矢量产生的脉动转矩会迫使转子产生微动，转子微动导致了反电势的变化，进而影响了定子绕组中的电流响应，当注入电压的频率较低时，交轴电流响应的脉动规律与转速脉动规律基本一致，从交轴电流的相位中可检测出转子位置信息。该方法在检测过程中电机转子会在初始位置附近不停的震荡，降低了电机的使用寿命，也使其应用场合受到严重限制，并且检测结束后转子在惯性作用下随机停在任意位置，检测误差较大。有方法通过逐步削弱注入电压幅值的方式来循序降低转子的摆动幅度，最终减小停机误差。
04电感参数矩阵法：
电感参数矩阵法是一种基于电感辨识的转子初始位置间接检测方法。永磁同步电机电感矩阵中的参数与转子位置有关，有的方法是向定子绕组中通入两个线性无关的电压矢量，通过检测其对应的电流瞬态响应得到αβ轴电感参数矩阵，再根据该矩阵计算出转子初始位置。由于电感参数矩阵的准确性直接影响了该方法的检测精度，因此该方法对电流检测电路的精度要求较高。
05系列等幅反向电压脉冲法：
在永磁同步电机中，通入正负电压矢量会对磁场产生不同的去磁或增磁作用，进而产生不同的电流响应，该电流幅值的差异与转子位置有关，图二给出了转子在不同位置时电流差值与电压矢量之间的对应关系。有研究者利用该原理提出了一种系列等幅反向电压脉冲法来检测转子初始位置，首先在 0°到 360°电角度范围内，每隔一定角度向定子绕组中施加两个等幅、反向的电压矢量，记录两者对应的电流响应幅值的差异，该差异在 360°电角度周期内呈正弦规律分布，当电压矢量方向与永磁体 N 极同向时，该差异达到正向最大值；反之，该差异达到负向最大值，因此正向最大差异电流所对应的电压矢量角即为转子位置。该方法对电流检测精度要求较高，并且初始位置检测精度与电压矢量角度的细化程度相关，增加测试电压矢量的数目可提高检测精度，但也使得检测过程更加复杂，持续时间更长。

06六组等宽电压脉冲法：
六组等宽电压脉冲法是系列等幅反向电压脉冲法的简化方案，它仅需在定子绕组中叠加六个互差 60°的等宽电压脉冲矢量，该脉冲矢量的施加方式如表一所示。该方法通过比较其电流响应的幅值，即可确定转子初始位置所在的扇区。显然该方法的检测精度为 60°，通常用于永磁体磁极方向的判断，并与其他方法配合获取准确的转子初始位置。

表一：六组等宽电压脉冲矢量施加方式

07高频信号注入法：
高频信号注入法是一类基于转子凸极跟踪的方法，适合零速和低速运行范围的转子位置检测，在这类方法中，将控制系统改为开环结构，即可用于初始位置检测，并且检测精度高，对参数变化的鲁棒性好，但存在的共同问题是位置检测误差会出现 0 rad或 π rad 两种情况，需进行磁极正方向判断。有研究者在采用脉振高频电压注入法获取转子初始位置之后，在估计的直轴方向通入正负等幅电压脉冲矢量，由于磁路饱和程度不同，其电流响应的衰减速度也有差异，比较两者电流衰减到零所持续的时间即可实现磁极正方向判断。该方法可获取准确的磁极正方向判断结果，但实施过程中需切换注入信号的类型，实现较为繁琐，且对电流检测电路的精度要求较高。有研究人员对脉振高频电压注入法实施过程中的直轴电流响应进行分析，指出磁路饱和效应会导致直轴电流的高频分量出现二次谐波，该谐波的相位可用于磁极正方向判断，该方法实施过程仅需注入高频信号，实现过程明显简化。还有研究人员通过分析脉振高频电流注入法在实施过程中直轴高频电压响应的谐波，也提出了类似的基于谐波相位检测的磁极正方向判断方法。