永磁同步電機(jī)控制大多采用位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息，考慮到減小控制裝置大小、降低成本以及系統(tǒng)的后期維護(hù)和可靠性問題，需摒棄傳統(tǒng)位置傳感器，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制。目前，永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)中，高速段基本可以較好地運(yùn)行，但在零速和低速段，通過滑模觀測(cè)法估計(jì)轉(zhuǎn)子位置存在明顯誤差，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯下降。如何提高零速以及低速段轉(zhuǎn)子位置估計(jì)精度已成為永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的共性問題。

近年來，針對(duì)永磁同步電機(jī)無位置傳感器零速以及低速段控制困難的問題，國內(nèi)外學(xué)者提出多種轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)方法，其中包括高頻信號(hào)注入法和載波頻率成分法。高頻信號(hào)注入法根據(jù)信號(hào)注入類型可分為正弦波高頻信號(hào)注入和方波高頻信號(hào)注入；根據(jù)信號(hào)注入坐標(biāo)系又可分為基于靜止坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)信號(hào)注入法和基于假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的脈振信號(hào)注入法。

為有效解決永磁同步電機(jī)無位置傳感器起動(dòng)方法中存在的算法實(shí)施過程復(fù)雜、執(zhí)行時(shí)間長的問題，文獻(xiàn)[14]將高頻信號(hào)注入法與載波頻率成分法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極方向的判定。對(duì)于高頻注入法轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差補(bǔ)償問題，王高林等[15]將兩種不同頻率的高頻電壓逐周期注入到估計(jì)的轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系中，提出相應(yīng)的信號(hào)解調(diào)方法用于提取轉(zhuǎn)子位置信息。在對(duì)隨機(jī)頻率注入方案原理分析的基礎(chǔ)上，考慮了高頻信號(hào)中的數(shù)字時(shí)延效應(yīng)，提出了一種信號(hào)解調(diào)的補(bǔ)償方法，有效減小了位置估計(jì)誤差。

D.D.Reigosa等分析了電機(jī)定子電阻隨溫度變化對(duì)高頻注入法的影響，提出了相應(yīng)的位置估計(jì)誤差補(bǔ)償策略，但尚未分析電阻變化對(duì)位置估計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，在建立電機(jī)高頻模型時(shí)，忽略了反電動(dòng)勢(shì)和交叉耦合項(xiàng)。文獻(xiàn)[17]將高頻阻抗模型等效為純電感模型，分析了濾波器對(duì)高頻注入法的影響，但該方法并未考慮定子電阻的影響。

綜上分析，目前鮮有研究能夠同時(shí)避免電機(jī)參數(shù)變化、反電動(dòng)勢(shì)和交叉耦合項(xiàng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的影響。本文分析了傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)脈振高頻電壓注入法采用傳統(tǒng)調(diào)制信號(hào)下定子電阻與電感參數(shù)不同匹配對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，表明不同的電阻與電感參數(shù)匹配易造成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

針對(duì)該問題，利用鎖相環(huán)技術(shù)鎖定交軸高頻電流響應(yīng)相位，構(gòu)造新型同相位的調(diào)制信號(hào)用于對(duì)高頻交軸電流響應(yīng)的處理，保證電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)系統(tǒng)為穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)。另外，傳統(tǒng)脈振高頻電壓注入法忽略了定子電阻、反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)以及交叉耦合項(xiàng)對(duì)高頻數(shù)學(xué)模型的影響，而反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)與交叉耦合項(xiàng)對(duì)高頻數(shù)學(xué)模型的影響隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高逐步增大，影響轉(zhuǎn)子位置估計(jì)精度。

針對(duì)該問題，提出一種新型轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差補(bǔ)償策略，有效避免轉(zhuǎn)速升高情況下反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)以及交叉耦合項(xiàng)造成轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差增大的問題。

圖5 永磁同步電機(jī)交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

1）本文分析了傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)脈振高頻電壓注入法采用傳統(tǒng)調(diào)制信號(hào)下，定子電阻與電感參數(shù)不同匹配對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，表明不同的電阻與電感參數(shù)匹配易造成轉(zhuǎn)子位置估計(jì)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)新型調(diào)制信號(hào)保證轉(zhuǎn)子位置估計(jì)系統(tǒng)為穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)。同時(shí)，考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速升高對(duì)高頻數(shù)學(xué)模型的影響，提出新型轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差補(bǔ)償策略，有效避免轉(zhuǎn)速升高情況下反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)以及交叉耦合項(xiàng)造成轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差增大的問題。

2）以400W表貼式永磁同步電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)基于新型轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差補(bǔ)償策略下的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該策略的有效性和實(shí)用性，為脈振高頻電壓注入法相關(guān)控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。