永磁电机的无传感器控制

交流电机的精确速度控制通常通过连接到速度或位置反馈传感器的变频驱动器(VFD)来完成。然而，在某些情况下，通过高频信号注入方法，可以在不需要反馈传感器的情况下实现类似水平的精确速度控制。要实现这种方法，VFD必须采用开环控制，并且必须能够注入所需的高频信号。该方法仅适用于凸极电机，如内永磁同步电机。

图1描述了两种常见的永磁电机类型。表面贴装永磁(SPM)电机的磁体附着在转子表面，而IPM电机的磁体埋在转子内部。这两种电机都有很高的效率，但IPM电机有额外的转矩，因为它利用了磁显着性产生的磁铁和磁阻转矩。由于SPM电机的磁体需要固定在转子表面，机械强度比IPM电机弱，特别是在高速区域。

PM电机磁显着性

如图2所示，在SPM电机中Ld和Lq磁通路径上的有效气隙是相同的。电机中使用的永磁体磁导率很低，在电感计算中可视为空气。因此，Ld与Lq相同，因此SPM电机具有非常低的电感显著性。因此，无论转子位置如何，在电机终端测量的电感值都是恒定的。

在IPM电机中，永磁体埋在转子内部。由于永磁体的磁导率比铁低(即磁阻高)，磁通量路径上的有效气隙根据转子位置而变化。该方差如图3所示。这就是所谓的磁显着性，它导致变化的电感在电机终端根据转子的位置。

从这个方程中可以注意到一个有趣的特征:可以通过测量电感的变化来检测转子的位置。这一特性使转子位置检测开环矢量控制，即控制不需要速度或位置传感器连接回电机驱动器关闭。

高频信号注入法

高频信号注入法的基本概念是，当以0度注入角(即通过Ld轴)向IPM电机注入高频电压时，由于电感最小，测量到的电流将处于最高水平。这表明电机阻抗处于其最小值，如图5所示。

磁极的位置因此可以通过使用图5的显著性特征来检测。考虑到实施的限制，有效注入频率在200hz ~ 1000hz之间。

在启动时，PM电机控制器最初不知道磁极的实际位置，因此假设任意轴并定义为d轴或磁极轴。然后在假定的d轴上注入高频电压信号，以跟踪实际磁极位置。

电机电流在dm轴和qm轴上测量。如果估计的d轴不对准真实的PM磁体轴，则测量到的dm轴和qm轴上的高频电流分量是不同的。在先进的开环矢量控制算法中，将估计的d轴调整到电流差最小，使估计的d轴与实际磁极轴对齐。

先进的开环矢量控制通过IPM电机的高频注入方法提供1:100范围的速度控制，10Hz的速度响应和精度，或正负0.2%。对于这些速度控制规格足够的应用，这种方法比速度或位置反馈传感器的闭环控制更简单，成本更低。

作者信息

康俊，博士，安川电气美国公司总工程师。本文的一个重要参考是Ide Kozo等人，“永磁同步电机的无传感器驱动技术”，在安川技术评论，Vol.69;第二,2005;pp.93 - 98。

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