PMSM低速下的转子位置角辨识算法研究

在地铁永磁牵引系统中,为了确保应用无位置传感器算法的永磁牵引系统在低速区转子位置角度辨识性能,需准确辨识转子位置。为此,给出适用于低速的永磁无位置传感器算法,即通过高频方波电压注入法得到初次位置,然后向估计d轴注入正向与负向的电压窄脉冲,比较响应电流以判断高频方波电压注入算法初判的磁极位置极性是N极还是S极,从而得到最终的转子位置辨识值。测试结果表明辨识得到的转子位置和频率误差较小,低速区电压、电流变化平稳。     

12/10极永磁磁通切换电机转子初始位置检测

电机转子初始位置检测的精度直接决定其启动运行时的性能。针对12/10极永磁磁通切换型电机,在验证其凸极性的基础上,采用注入脉振高频信号实现转子初始位置估计。通过对传统高频脉振正弦电压信号注入的分析,研究了基于高频方波或三角波的注入方法,再利用电流差值调制或直接信号调制方法得到位置误差信号,同时根据磁路的饱和效应,通过对d轴电流过零点时间差值的累加,实现了磁极方向辨识。分析了位置误差信号的系数与初始位置检测收敛性的关系。通过实验验证了所提方法的正确性和可行性。     

基于高频信号耦合注入的内置式永磁同步电机

内置式永磁同步电机(IPMSM)受转子凸极性的影响,绕组电感随转子磁极位置呈周期变化。考虑到上述特征,提出一种基于高频信号注入的IPMSM转子初始位置检测方法。将高频信号依次注入定子两相绕组,并提取定子绕组高频信号线电压,运算处理后获得没有考虑转子磁极极性的初始位置角。随后注入脉冲电压矢量进行转子极性判断,从而获得准确的初始位置角。理论分析和试验结果表明,该方法对电阻参数依赖较小,不受逆变器非线性和电流传感器检测精度的影响,能够准确检测转子初始位置角,满足IPMSM平稳起动的要求。     

混合励磁磁通切换永磁电机初始位置检测方法比较

为实现混合励磁磁通切换永磁电机转子初始位置检测,本文在电机d轴、q轴分别注入高频电压信号来估计转子位置。在电机d轴注入高频电压信号时,通过采集q轴电流来获得转子初始位置;在q轴注入高频电压信号时,通过采集励磁绕组电流来获得转子初始位置。通过比较两种初始位置检测方法,基于d轴高频电压信号注入的初始位置检测方法,无法直接判断磁极极性,需要额外的方法判断磁极极性;而基于q轴高频电压信号注入的初始位置检测方法,利用电机励磁绕组和电枢绕组的互感识别转子初始位置,无需额外的磁极极性判断可直接估计出转子位置。最后,在一台12/10混合励磁磁通切换永磁电机的测试平台对两种初始位置检测方法进行了验证。     

一种新型内置式永磁同步电机初始位置检测方法

传统内置式永磁同步电机无位置传感器控制策略存在初始位置检测精度低、磁极判断不准确等缺点,将引起电机起动失败、失步、反转等问题。采用高频正弦信号注入法提取位置信息需要使用多个滤波器,会带来时间延迟和幅值畸变等问题。该文提出了基于高频方波电压信号注入的初始位置检测法,在转子信息提取环节无需滤波器。通过向定子绕组注入方波信号,在PWM周期采样三次电流,对前后两次采样电流做差处理求出位置误差信号,可以准确地获取转子位置。实验表明该方法准确有效。     

标准地铁牵引PMSM初始位置辨识算法研究与应用

适用于系列化中国标准地铁列车的永磁牵引系统是新一代轨道交通牵引系统的发展方向。永磁同步电机(PMSM)转子初始位置决定了起动转矩的大小、磁极极性决定了起动转矩的方向。因此转子初始位置辨识的准确性关系到电机能否稳定起动并顺利加速。在分析PMSM数学模型的基础上,采用高频方波电压注入算法获得转子的初次估计位置。然后分别在估计的d轴中注入正、反向电压窄脉冲,通过比较d轴正、反向响应电流幅值大小来判断此时定位的磁极为N极还是S极。如果定位的磁极是S极,则需要对初次估计位置进行补偿,使其定位在N极。Simulink仿真及试验结果表明：电机实际初始位置不同时,该算法均能辨识出正确的转子位置,最大辨识误差为0.052 4 rad,平均误差为0.016 1 rad。     

永磁同步电机无位置传感器混合控制策略

转子位置混合观测策略对于实现无传感器内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)全速域运行非常关键。针对IPMSM无传感器矢量控制系统,提出一种由高频信号注入法与反电动势模型法的位置误差信息相融合的混合观测方法。低速运行时注入脉振高频电压信号,通过对高频电流幅值处理获得转子位置误差信号,中高速运行则通过反电动势模型滑模观测器获得位置误差信息,对两种方法所得位置误差信号进行归一化处理,并根据运行转速对归一化后的位置误差信号以加权的方式进行信息融合。通过一个软件锁相环获取混合位置观测值,并分析混合观测器的稳定性及参数设计。最后通过2.2kW IPMSM无传感器矢量控制系统验证了控制策略的有效性。     

内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法

针对无位置传感器永磁同步电机控制系统起动运行困难的问题,提出一种基于混合信号注入的内置式永磁同步电机改进转子磁极初始位置估计方法.采用注入高频旋转电压信号的方法检测磁极位置,设计一种通过PI跟踪观测器对所构建磁极位置误差信号进行控制的方案,当误差调节至零时将获得磁极位置初判值,降低了算法的复杂性.以磁极位置初判值为矢量角,往定子绕组注入2个方向相反的脉冲电压矢量,通过比较直轴电流大小可以简单、有效地判断出磁极极性,实现对位置初判值进行校正,从而获得转子初始位置估计值.应用所提出的估计方法对一台22kW内置式永磁同步电机进行实验,得到转子位置电角度平均估计误差为4.6°.     

内置式永磁同步电机无位置传感器控制

针对无位置传感器内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)矢量控制系统,通过将滑模观测器和高频电压信号注入法相结合,提出一种可实现在宽调速范围获取准确转子位置信息的混合观测方案。设计基于扩展反电动势模型的滑模观测器,对高频信号注入的滤波器和软件锁相环进行研究,并给出混合观测器的切换控制方法,以保证切换过程锁相环跟踪的同步性。针对无传感器IPMSM系统起动困难的问题,研究了一种初始位置估计方法,先注入高频信号检测磁极位置,再注入脉冲电压矢量来判断极性。最后通过IPMSM无位置传感器矢量控制系统验证了该控制策略的有效性。     

一种新型的内置式永磁同步电机无位置传感器低速控制策略

在基于高频注入的内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)无位置传感器低速控制场合,需要使用滤波器提取位置信息和反馈电流环基频分量,但滤波器会导致信号延迟、减小电流环带宽。同时,为提高观测位置的精度,必须对逆变器电压误差进行补偿,由于数字控制系统有一个开关周期的延迟,采用先计算后补偿的方式复杂且准确度不高。针对以上两个问题,该文提出一种基于dq轴电压信号注入的转子位置观测方法。通过将磁场定向控制(field oriented controller,FOC)周期与电压信号注入周期相分离,避免了滤波器的使用。通过在估计差的补偿。最后在一套1.5k W IPMSM无位置传感器矢量控的d轴或q轴依次注入正反电压信号实现了对逆变器电压误制系统实验平台验证了控制策略的有效性。     

无传感器内置式永磁同步电机低速运行转子位置鲁棒观测器

低速运行控制是无位置传感器内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)控制系统的关键技术。为了改善无传感器IPMSM矢量控制系统的低速性能,研究了一种基于高频信号注入的转子位置鲁棒观测器,以使位置观测环节具有较强的抗负载扰动能力。在分析扰动转矩可能导致观测器收敛到磁极相反位置问题基础上,针对扰动转矩特性对转子位置鲁棒观测器的结构进行设计。根据阶跃式和斜坡式扰动转矩特性及位置观测误差期望指标,采用极点配置的方法对观测器反馈增益矩阵参数设计进行分析。通过IPMSM无传感器矢量控制系统验证了该转子位置鲁棒观测器的有效性。     

高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统

介绍了一种基于脉振高频电压信号注入的永磁同步电机转子位置和速度估算方法,并以此为基础实现了永磁同步电机的无速度传感器矢量控制系统.无论是内埋式还是表面贴式永磁同步电机,其交直轴高频阻抗都可以表现出凸极效应,当脉振高频电压信号注入到定子线圈中时,相应的高频电流信号将包含有转子的位置信息,用一种合适的算法可以提取这一信息.在高速和低速(包括零速)运行时,这种方法都可以精确地估算出转子的位置.最后,以内埋式永磁同步电机为例,给出了这种方法的仿真结果,验证了这种方法的有效性.     

基于相电流正负序分量相角差的高精度内置式永磁同步电机转子初始位置检测方法

对内置式永磁同步电机(IPMSM)转子静止初始位置检测技术进行研究,提出一种基于高频信号注入法的高精度IPMSM初始位置检测方法。该方法通过向电机绕组中注入高频旋转电压信号,通过带通滤波器得到高频电流响应,利用同步旋转坐标变换将高频电流响应的正、负序分量进行分离;然后分别对三相高频电流正、负序分量的相角进行最小二乘估计,利用任意一相高频电流正、负序分量的相角差提取出转子的位置信息;最后通过磁路饱和效应对转子N、S极性进行辨别。该方法具有较高的检测准确度,平均检测误差约为1.73°电角度,对一台11 k W的内置式永磁同步电机的实验表明了该方法的正确性。     

Sensorless IPMSM position estimation based on multi SVPWM with elimination of inverter nonlinear effects

This paper presents a position‐sensorless interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) control system at low and zero speed based on a multi‐space‐vector pulse‐width modulation (MSVPWM) pattern with the elimination of nonlinear inverter effects. In conventional sensorless methods based on the MSVPWM pattern, the high‐frequency (HF) components of voltage and current are used to estimate the rotor position information. However, the inverter nonlinear effects, such as forward voltage drops and deadtime, distort the HF components of the voltage and current so that an error occurs in the position estimation. Therefore, an improved position estimation scheme is developed in this paper. The compensated HF components of the voltage taking account of the inverter nonlinear effects can be used to decrease the estimation error. The proposed method can be implemented without increasing any hardware cost. Experimental results confirm the effectiveness of the proposed method. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

Position and speed sensorless control for IPMSM based on estimation of position error

In most variable‐speed drives of PMSM, some type of shaft sensor such as an optical encoder or resolver is connected to the rotor shaft. However, such sensor presents several disadvantages such as drive cost, machine size, reliability, and noise immunity. Therefore, the sensorless control of PMSM is desired and various sensorless control strategies have been investigated. This paper presents a novel sensorless control strategy for an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). A new model of IPMSM using an extended electromotive force (EMF) in the rotating reference frame is utilized in order to estimate both position and speed. The extended EMF is estimated by the least‐order observer, and the estimation position error is directly obtained. The proposed scheme corrects the estimated position and speed so that the estimation position error becomes zero. The proposed system is very simple and the design of the controller is easy. Several drive tests are carried out and the experimental results show the effectiveness of the proposed sensorless control system. © 2003 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 144(2): 43–52, 2003; Published online in Wiley InterScience ( www. interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10180     

Position Sensorless Control for IPMSM Based on Extended EMF and Voltage Injection Synchronized with Pulse‐Width Modulation Carrier

This paper presents a new position sensorless control system for an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). The proposed method is based on the extended electromotive force (EMF) and voltage injection synchronized with a pulse‐width modulation carrier. The proposed method does not need to switch the estimation method by speed in order to estimate the magnetic pole position by extended EMF, even at low speeds. Further, the amplitude of the superimposing voltage is changed according to the extended EMF; the applied voltage is not saturated in the high‐load and high‐speed regions. The effectiveness of the proposed sensorless control system was verified experimentally.     

考虑磁路饱和的内置式永磁同步电机电感参数旋转辨识算法

实现对永磁同步电机调速系统高性能控制的基础是准确的数学模型和电机参数,其中电感参数对电机的稳态和动态运行性能影响较大,而对于内置式永磁同步电机而言电感除了受凸极结构影响之外,还受磁路饱和等因素的影响。考虑到定子电流引起的磁路饱和效应与交叉耦合效应对电感的影响,基于矢量控制技术分别提出了d轴和q轴电感旋转辨识新算法,即d轴复合电流激励法和转矩调整法。为了提高电感辨识准确度,还采用基于电压误差曲线的补偿算法对逆变器非线性因素引起的输出电压误差进行了补偿。最后在电机控制实验平台上通过实验验证了提出的电感辨识算法的可行性和有效性。