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永磁同步电机初始位置辨识的新方法，准确简便响应快
传统高频方波电压注入法辨识内置式永磁同步电机的转子初始位置时，存在多个零点，闭环调节收敛时间长，无法准确辨识磁极极性等问题，导致电机起动失败甚至反转。为此，湖南大学电气与信息工程学院的研究人员姜燕、刘思美、罗德荣、黄守道、吴轩，在2019年第19期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于高频正交方波电压注入的转子初始位置辨识方法。
内置式永磁同步电机（Interior Permanent MagnetSynchronous Machine, IPMSM）具有效率高、功率密度大等特点，被广泛应用于家用电器、电动汽车、新能源发电和航空航天等领域。永磁同步电机的无位置传感器控制，在转子初始位置未知的情况下起动，可能导致电机起动电流大，无法起动，甚至出现反转等问题。因此，准确地辨识转子初始位置对提高永磁同步电机无位置传感器控制性能至关重要。
目前，常见的电机转子初始位置辨识方法主要有电压脉冲注入法和高频信号注入法两类。电压脉冲注入法是在直轴注入一系列正负对称的电压脉冲信号，利用电流响应的峰值获得转子初始位置，但该方法需多次注入电压脉冲信号，随着电压矢量方向逼近转子真实位置，电流响应的峰值差距减小，辨识位置的信噪比降低。
高频信号注入法包括高频电流信号注入法和高频电压信号注入法两种。高频电流信号注入法是注入高频电流信号，提取高频响应电压辨识转子位置，该方法的性能受电流环PI参数影响较大。高频电压注入法主要有高频旋转正弦电压注入法、高频脉振电压注入法以及高频方波电压注入法。
高频旋转正弦电压注入法和高频脉振电压注入法均为高频正弦信号注入，需要使用滤波器来获取高频响应电流信号，然后使用该信号辨识转子位置，滤波器的使用降低了系统动态性能。
针对该问题，高频方波电压注入法被提出。该方法在直轴注入高频方波电压，提取交轴上的高频响应电流来辨识转子位置，该方法注入高频方波信号，可直接通过对相邻采样电流作差获取高频响应电流幅值，因此提取转子位置不需要使用滤波器。
但是，由于该方法中观测器的输入信号为交轴高频响应电流幅值，此信号为位置误差信号的正弦函数，存在多个零点，使得获取转子磁极位置信号的闭环调节收敛时间长；同时，该方法是基于电机凸机效应，无法辨识磁极极性；此外，该方法的交轴高频响应电流信号与电机电感参数相关，需要使用电感参数将该信号进行归一化来保证观测器参数设计的通用性。
针对上述问题，湖南大学电气与信息工程学院的研究人员提出了一种基于高频正交方波电压注入的转子初始位置辨识方法。
图2 高频正交方波电压注入转子初始位置辨识原理图
图10 IPMSM实验平台
首先，通过将正交的高频方波电压信号注入静止坐标轴，利用静止坐标轴系下高频响应电流信号辨识磁极位置；然后，在注入高频正交方波电压信号的同时，向直轴注入一个低频正弦电流信号，电机的饱和程度和交直轴电感将产生变化，引起高频响应电流变化，通过对比低频正弦电流的正负峰值附近的高频响应电流的幅值来辨识磁极极性（N极、S极)。
该方法可直接通过求反正切获得转子磁极位置电角度，不需要通过闭环调节获得磁极位置信号，响应速度快，且工程实现容易。为了使得速度观测器参数设计具有通用性，研究人员将反正切得到的信号作为速度观测器输入信号，避免了速度观测器参数设计依赖电感参数。最后在1.5kWIPMSM驱动系统实验平台上验证了该方法的有效性和准确性，并得出如下结论：
1）该方法能准确辨识转子初始位置，当转子在不同位置时，辨识的转子初始位置电角度误差均小于4°；转子初始位置辨识全过程时长可小于30ms。
2）该方法具有较好起动性能，突加突卸负载等动态响应快。
3）详细分析磁极极性辨识所用的低频正弦电流的幅值和频率选取原则。
以上研究成果已发表在2019年第19期《电工技术学报》，论文标题为“基于高频正交方波电压注入的永磁同步电机初始位置辨识”，作者为姜燕、刘思美、罗德荣、黄守道、吴轩。
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