产品级IPMSM高频注入低速无传感器控制方法

前言：姗姗来迟，终于推出了自己的第一篇文章。

大家好，允许自我介绍一下：论坛ID“转子磁场定向”，毕业以来一直在深圳从事电机控制相关工作已十余年。涉及产品包括变频器、伺服、家电控制器、电动工具。做过永磁同步电机PMSM和感应电机ACIM。来到CSDN，希望分享自己的优质内容，和志同道合的朋友共同探讨。

简介：高频注入在国外已研究了很多年，国内的论文也不少，但是国内能够应用到产品的公司寥寥无几。本文采用全新的视角，推出一种已经量产，并且可以在IPM零速输出转矩的控制方法。SPM可以低速使用，无法零速使用。

伺服因为转矩脉动和控制精度要求无法使用该方法。

饱和凸极性

谈到高频注入，大家第一步会联想到凸极性。内埋式IPM具有结构凸极，表贴式SPM具有饱和凸极。首先弄清楚什么是SPM的饱和凸极？

直轴磁路的 $\psi -i$ 曲线如下图一所示：

对于SPM，不考虑转子磁场， $L_d=L_q$ 。转子永磁体磁场可以等效为励磁电流$i_f$。当电流矢量与 $d$ 轴正向重合， $i_f$ 和 $i_{d+}$ 同向，那么电流矢量的磁场和转子磁场叠加，就会导致直轴磁路出现饱和。当电流矢量与 $d$ 轴反向重合， $i_f$ 和 $i_{d-}$ 会抵消一部分幅值，那么激励磁场与转子磁场抵消，磁路处于线性段。如定义 $L_{d+}$ 为直轴正向电感， $L_{d-}$ 为直轴负向电感，那么 $L_{d+}<L_{d-}$ ，这就是SPM的饱和凸极性。饱和凸极性可用于低速控制方法，也可以用于初始位置检测。

图1 直轴磁路磁链-电流曲线

如图二所示：当给定子绕组施加激励，当固定幅值的电流矢量与 $d$ 轴夹角逐渐变化时，两个磁场的相互作用决定了 $d$ 轴电感是连续变化的。当激励电流与$d$ 轴正交时， $L_d$ 最大，电感变化曲线与电流矢量和 $d$ 轴夹角基本是一个接近正弦的关系。

图2 SPM电感变化曲线

介绍了饱和凸极性，就得思考一个问题。常用的高频注入三大流派：旋转高频注入、脉振、方波高频注入。后两者不分SPM和IPM，旋转高频注入只能用于IPM。三种方法的增益都有 $\frac{L_d{L}_q}{L_d-L_q}$ ，为什么单单旋转高频注入不能用在SPM呢？

这个问题暂时没有看到公开的解释，谈下自己的理解，不一定对。

脉振和方波高频注入，都是在 $d$ 轴上施加电流激励。假设 $q$ 轴电流激励和 $d$ 轴相同，那么因为 $d$ 轴还有转子磁场，和电流激励相互作用，因为正向饱和效应和反向消磁，就会造成 $d$ 轴的磁路和 $q$ 轴肯定不同，也就是说很大的概率会导致 $L_d\ne L_q$ ，所以高频注入增益不为0。

对于旋转高频注入，在 $\alpha -\beta$ 静止坐标系注入旋转激励矢量，与 $d$ 轴的位置是无关的，二者相对位置随机。那么对于SPM，很有可能在某些时刻电流激励全部施加在 $q$ 轴上，造成 $q$ 轴磁路和 $d$ 轴磁路工作在相同的情况，这样的结果就是很大概率 $L_d=L_q$ ,高频注入增益为0，提取误差信号失败。

所以旋转高频注入只能在强凸极性的IPM使用，无论磁路如何饱和，都不会出现交直轴电感相等的情况。脉振和方波高频注入，利用饱和凸极性，也可以用在SPM的低速控制和初始位置辨识。