学术︱一种基于线电感变化特征的永磁同步电机转子初始位置检测新方法
东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心、飞行器控制一体化技术重点实验室的研究人员孟高军、余海涛等，在2015年第20期《电工技术学报》上撰文，具有转子凸极结构的永磁同步电机中受转子凸极效应的影响，绕组的自感和互感随转子位置呈现近似正弦的周期变化，以此为基础，提出了一种基于线电感变化特征的永磁同步电机转子初始位置检测。
首先，通过注入高频低压脉冲来进行线电感辨识，并深入分析了绕组电流对线电感辨识的影响，同时利用傅里叶级数分解得到线电感变化曲线；随后建立了角度-线电感关系的数学模型，并采用旋转坐标变换计算转子初始位置角，但是该方法无法判断转子磁极的极性，因此在初步辨识出转子位置角的基础上，向电机施加等宽电压脉冲，利用磁场饱和引起的响应电流幅值的变化来估计出转子的磁极极性；最后实验结果表明，该方法能够准确、有效地估计转子初始位置。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motors，PMSM）具有功率因素高、过载能力强以及输出转矩能力强等优点，在家用电器、船舶推进、及电动车驱动等领域得到了广泛的应用[1]。而能否对转子初始位置进行准确估计是永磁同步电机高性能控制策略（矢量控制或直接转矩）和无位置传感器运行实现的前提条件，也是关系到电机是否顺利起动，以及能否实现最大转矩起动的关键问题，一直是工程技术界研究的热点和难点问题之一。
因此国内外学者对永磁同步电机转子初始位置检测展开了大量的研究。文献[2-7]根据脉冲信号检测的方法向电机中注入幅值相同、方向不同的一系列电压脉冲，检测并比较响应电流的大小来估计转子初始位置。这种方法可行，但如果想得到准确的转子初始位置需要施加多个不同方向的电压矢量，对逆变器的控制较为复杂。
文献[8-15]是采用高频信号注入法，其基本原理是在电机中注入特定的高频电压信号，然后检测电机中对应的电流信号以确定转子的初始位置，但该方法算法较为复杂，且需要低通滤波器等额外的硬件电路，增加了成本。
文献[16]提出了一种通过向电机定子侧施加低频旋转电压矢量来检测转子初始位置的方法，但是产生的电流后续处理较为复杂，且会造成较大的转矩脉动。
文献[17]提出了一种基于相电感线性区模型的初始位置检测方法，该方法中相电感模型简单，利用电感估计值可以实现静止时的初始定位，但该方法需要预先测量各相电感曲线交点位置处的电感值，不具备动态适应性，且只适用于功率变换器为不对称半桥结构的开关磁阻电机。
文献[18]利用定子电感值随转子位置改变呈正弦变化的规律，在电机运行前，检测定子绕组的电流和电压，计算此时的电感值，该方法原理较简单，但对电感值的测量较为复杂，计算误差较大，且需要占用一定的存储器空间。
文献[19,20]比较施加正反电压矢量过程中非导通相的端电压，然后比较定子电流的峰值，最终得到转子初始位置估计准确度为30°，该方法不仅估计准确度低，而且需要端电压采集电路，增加了系统的复杂性。
针对以上方法存在的不足，本文从凸极效应对绕组电感的影响出发，在验证其线电感呈正弦分布且一个周期变动两次的基础上，提出了一种用于转子初始位置检测的新方法。
首先，通过注入高频低压脉冲来进行线电感辨识，并利用辨识出的线电感信息和转子位置关系，经旋转坐标变换初步计算转子位置角，随后再结合铁心非线性磁化特性判断转子磁极极性，最后搭建了AD5435实时仿真系统平台，对该方法的有效性和正确性进行了实验验证，并给出了相应的结论。
图1 凸极效应对绕组自感和互感的影响
结论
本文提出了一种转子初始位置检测的新方法，最后搭建以A&D实时仿真装置为控制中心的实验平台，验证了所提算法的可行性和正确性，得到如下结论。
（1）从凸极效应对绕组电感的影响出发，分析了绕组自感和互感随转子位置的变化规律，推导出线电感与转子位置角的关系，提出了一种通过注入高频低压脉冲来进行线电感辨识的方法。
（2）利用傅里叶级数分解，引入线电感随绕组电流变化的基波分量和二次谐波幅值，深入分析了绕组电流对线电感的影响，同时选取最优的电压脉冲施加时间，提高了线电感辨识准确度。
（3）建立了角度-线电感关系的数学模型，利用旋转坐标变换初步计算出转子初始位置角，随后结合铁心饱和效应，改进了一种适用于磁极极性判断的方法。
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