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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，可能導(dǎo)致電機(jī)起動電流大，無法起動，甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)等問題。因此，準(zhǔn)確地辨識轉(zhuǎn)子初始位置對提高永磁同步電機(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)子初始位置辨識方法主要有電壓脈沖注入法和高頻信號注入法兩類。電壓脈沖注入法是在直軸注入一系列正負(fù)對稱的電壓脈沖信號，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，隨著電壓矢量方向逼近轉(zhuǎn)子真實位置，電流響應(yīng)的峰值差距減小，辨識位置的信噪比降低。

高頻信號注入法包括高頻電流信號注入法和高頻電壓信號注入法兩種。高頻電流信號注入法是注入高頻電流信號，提取高頻響應(yīng)電壓辨識轉(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注入，需要使用濾波器來獲取高頻響應(yīng)電流信號，然后使用該信號辨識轉(zhuǎn)子位置，濾波器的使用降低了系統(tǒng)動態(tài)性能。

針對該問題，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)電流來辨識轉(zhuǎn)子位置，該方法注入高頻方波信號，可直接通過對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，由于該方法中觀測器的輸入信號為交軸高頻響應(yīng)電流幅值，此信號為位置誤差信號的正弦函數(shù)，存在多個零點(diǎn)，使得獲取轉(zhuǎn)子磁極位置信號的閉環(huán)調(diào)節(jié)收斂時間長；同時，該方法是基于電機(jī)凸機(jī)效應(yīng)，無法辨識磁極極性；此外，該方法的交軸高頻響應(yīng)電流信號與電機(jī)電感參數(shù)相關(guān)，需要使用電感參數(shù)將該信號進(jìn)行歸一化來保證觀測器參數(shù)設(shè)計的通用性。

針對上述問題，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)子初始位置辨識方法。

圖2 高頻正交方波電壓注入轉(zhuǎn)子初始位置辨識原理圖

圖10 IPMSM實驗平臺

首先，通過將正交的高頻方波電壓信號注入靜止坐標(biāo)軸，利用靜止坐標(biāo)軸系下高頻響應(yīng)電流信號辨識磁極位置；然后，在注入高頻正交方波電壓信號的同時，向直軸注入一個低頻正弦電流信號，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，響應(yīng)速度快，且工程實現(xiàn)容易。為了使得速度觀測器參數(shù)設(shè)計具有通用性，研究人員將反正切得到的信號作為速度觀測器輸入信號，避免了速度觀測器參數(shù)設(shè)計依賴電感參數(shù)。最后在1.5kWIPMSM驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺上驗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)確辨識轉(zhuǎn)子初始位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子在不同位置時，辨識的轉(zhuǎn)子初始位置電角度誤差均小于4°；轉(zhuǎn)子初始位置辨識全過程時長可小于30ms。
• 2）該方法具有較好起動性能，突加突卸負(fù)載等動態(tài)響應(yīng)快。
• 3）詳細(xì)分析磁極極性辨識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》，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”，作者為姜燕、劉思美、羅德榮、黃守道、吳軒。