1.摘要
当电机低速或零速运行时，磁链产生的反电动势非常弱，可用信号的信噪比过低，因此很难从反电动势中提取转子的位置和速度信息。因此，当电机处于低速或零速时，转子的位置信息需要借助电机的凸极特性来获取。内置永磁同步电机或磁密度较大的表面永磁同步电机具有这种凸极特性，可通过高频电压注入法获得转子位置。
2.凸极特性
凸极电机内部的气隙不均匀，d轴与q轴的有效气隙不同，一般在凸极电机中，q轴电感通常大于d轴电感，而在大多数表贴式永磁同步电机中，气隙分布相对均匀，q轴电感类似于d轴电感。通常用q轴电感和d轴电感的比值来表示凸极率。凸极率越大，电机的凸极特性越明显。大多数表贴式永磁同步电机的凸极率约为1。
在内置永磁同步电机中，由于电机内部间隙不均匀，电机磁链和电感会随转子位置而变化，如图所示，与反电势不同，变化与转速无关，因此在凸极电机中，可以根据凸极特性观察低速或零速的转子位置。
3.高频电压注入法
高频电压注入法通常将高频电压信号注入两相静态坐标系(alfa,beta)，或在估计的两相旋转坐标系中(d,q)，叠加高频电压信号FOC在产生的基频分量上，然后对感应高频电流进行信号处理，以获取转速和转子位置信息。
主流高频电压注入法分为高频正弦波电压注入法和高频方波电压注入法。其中，高频方波电压注入法注入频率更高，噪声更小，对扭矩影响更小，系统带宽更高。本文主要介绍了估计的两相旋转坐标系(d,q)在两相静止坐标系下，采用高频方波电压注入法(alfa,beta)提取转速和转子位置。
注射高频方波电压的频率通常是PWM开关频率的整数倍可达到开关频率的一半。注入高频方波电压的频率是开关频率的两倍。正方波电压注入估计d轴的上半部分，负方波电压注入下半部分，Q轴不注入电压。 根据高频方波电压注入法控制系统的整体框图，由于注入方波电压的频率足够高，可以认为建立以下两点：
- 与感抗相比，电压方程中绕组的内阻和反电动势可以忽略不计；
- 电流基频分量在注入方波电压周期内保持不变；
在高频分量中，电压方程如图所示。park逆变变为两相静止坐标系(alfa,beta)。
通过坐标将估计轴转换为实际轴(d,q)上，过程和park类似的变换，如图所示。 代入实际轴(d,q)两相静态坐标系中的高频电压公式(alfa,beta)中，其中u(q*)=0.两相静止坐标系可以得到(alfa,beta)下i(alfah)和i(betah)如图8所示。将估计轴和实际轴的误差收敛为零后，可获得两相静态坐标系(alfa,beta)下i(alfah)和i(betah)电流微分包含转子的位置信息。提取高频电流重量后，用注入高频电压信号的符号修正电流信号，无论如何都可以通过切割公式或插入法获得转子位置信号。 基频信号和高频信号也包含在采样获得的电流信号中。由于注方波频率足够高，远高于电机绕组RL时间常数，因此基频电流信号在注入方波的前半段和后半段完全相同，而高频电流信号的极性恰恰相反。因此，在注入方波的前半段和后半段采样获得的信号直接添加可获得的基频电流信号，并直接减少可获得的高频电流信号。下图介绍了如何获得两相静止坐标系(alfa,beta)下i(alfah)和i(betah)相邻采样周期内的电流差分信号可用于离散系统中的电流差分信号。
5.总结
高频方波电压注入法的调试难点主要在于注入方波信号的频率和振幅值的选择、逆变器非线性、定子电阻压降、磁链反电势压降引起的相电压、相电流畸变和转子极性识别。
- 电机绕组应选择注入方波信号的频率RL时间常数约为十倍，以确保高频电流信号能够有效地与基频信号分离。同时，振幅值只能在适当的范围内。注入方波信号的振幅值通常约为母线电压的10%。振幅值太小，导致激励获得的高频电流信号太小，难以取样。振幅值过大会影响电磁扭矩，浪费能量，需要在实验中不断调试；
- 逆变器死区可以补偿相电压和相电流畸变，修正电压指令可以改进，下一章将详细讨论；
- 转子极性识别是高频电压注入法的世界问题，特别是在初始转子位置检测和重载条件下，高频电压注入法识别的转子位置误差可能收敛于零或收敛PI，因为sin(0)和sin(PI)的值均等于零，因此观测得到的转子位置可能是真实转子位置，或和真实转子位置相差180°。目前，电压脉冲法用于转子极性识别id电流偏置法等，并不能完美地解决这个问题。