永磁同步电机新型转子位置估计误差补偿策略
阅读征文通知，请戳上面标题 ▲
联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
江苏科技大学电子信息学院、江苏开璇智能科技有限公司的研究人员张懿、吴嘉欣、李亚锋、魏海峰、李垣江，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文，分析了传统永磁同步电机脉振高频电压注入法采用传统调制信号下，定子电阻与电感参数的不同匹配对电机转子位置估计系统稳定性的影响，表明不同的电阻与电感参数匹配易造成电机转子位置估计系统不稳定。
针对该问题，利用锁相环技术锁定交轴高频电流响应相位，构造新型同相位的调制信号用于对高频交轴电流响应的处理，保证电机转子位置估计系统为稳定的负反馈系统。与此同时，提出新型转子位置估计误差补偿策略，有效避免转速升高情况下反电动势项以及交叉耦合项造成转子位置估计误差增大的问题。实验结果验证了新型转子位置估计误差补偿策略的有效性和实用性。
永磁同步电机控制大多采用位置传感器获取转子位置信息，考虑到减小控制装置大小、降低成本以及系统的后期维护和可靠性问题，需摒弃传统位置传感器，实现永磁同步电机无位置传感器控制。目前，永磁同步电机无位置传感器控制技术中，高速段基本可以较好地运行，但在零速和低速段，通过滑模观测法估计转子位置存在明显误差，控制系统稳定性明显下降。如何提高零速以及低速段转子位置估计精度已成为永磁同步电机无位置传感器控制的共性问题。
近年来，针对永磁同步电机无位置传感器零速以及低速段控制困难的问题，国内外学者提出多种转子初始位置估计方法，其中包括高频信号注入法和载波频率成分法。高频信号注入法根据信号注入类型可分为正弦波高频信号注入和方波高频信号注入；根据信号注入坐标系又可分为基于静止坐标系下的旋转信号注入法和基于假定旋转坐标系下的脉振信号注入法。
为有效解决永磁同步电机无位置传感器起动方法中存在的算法实施过程复杂、执行时间长的问题，文献[14]将高频信号注入法与载波频率成分法相结合，实现对永磁同步电机转子磁极方向的判定。对于高频注入法转子位置估计误差补偿问题，王高林等[15]将两种不同频率的高频电压逐周期注入到估计的转子参考坐标系中，提出相应的信号解调方法用于提取转子位置信息。在对随机频率注入方案原理分析的基础上，考虑了高频信号中的数字时延效应，提出了一种信号解调的补偿方法，有效减小了位置估计误差。
D.D.Reigosa等分析了电机定子电阻随温度变化对高频注入法的影响，提出了相应的位置估计误差补偿策略，但尚未分析电阻变化对位置估计系统稳定性的影响。同时，在建立电机高频模型时，忽略了反电动势和交叉耦合项。文献[17]将高频阻抗模型等效为纯电感模型，分析了滤波器对高频注入法的影响，但该方法并未考虑定子电阻的影响。
综上分析，目前鲜有研究能够同时避免电机参数变化、反电动势和交叉耦合项对转子位置估计误差的影响。本文分析了传统永磁同步电机脉振高频电压注入法采用传统调制信号下定子电阻与电感参数不同匹配对电机转子位置估计系统稳定性的影响，表明不同的电阻与电感参数匹配易造成电机转子位置估计系统不稳定。
针对该问题，利用锁相环技术锁定交轴高频电流响应相位，构造新型同相位的调制信号用于对高频交轴电流响应的处理，保证电机转子位置估计系统为稳定的负反馈系统。另外，传统脉振高频电压注入法忽略了定子电阻、反电动势项以及交叉耦合项对高频数学模型的影响，而反电动势项与交叉耦合项对高频数学模型的影响随电机转速的升高逐步增大，影响转子位置估计精度。
针对该问题，提出一种新型转子位置估计误差补偿策略，有效避免转速升高情况下反电动势项以及交叉耦合项造成转子位置估计误差增大的问题。
图5 永磁同步电机交流调速实验平台
1）本文分析了传统永磁同步电机脉振高频电压注入法采用传统调制信号下，定子电阻与电感参数不同匹配对电机转子位置估计系统稳定性的影响，表明不同的电阻与电感参数匹配易造成转子位置估计系统不稳定。
针对这一问题，设计新型调制信号保证转子位置估计系统为稳定的负反馈系统。同时，考虑到电机转速升高对高频数学模型的影响，提出新型转子位置估计误差补偿策略，有效避免转速升高情况下反电动势项以及交叉耦合项造成转子位置估计误差增大的问题。
2）以400W表贴式永磁同步电机为实验对象，对基于新型转子估计误差补偿策略下的相应实验波形进行分析研究，实验结果验证了该策略的有效性和实用性，为脉振高频电压注入法相关控制系统参数的选择与优化提供了理论依据。