关于Ansoft maxwell中转子初始位置角及激励源初始相位角的说明

若对电机进行运动分析，则须采用瞬态场（transient）模块，并且assign band，和进行相应的运动设置（motion setup）。电机的运动形式主要分为直线运动和旋转运动，本帖针对广大新手包括很多老手搞不清楚的地方，进行了研究，并附上实际工程，供大家学习和参考。

一、对于直线运动，以广泛使用的直线电机为例，作具体阐述。

直线电机band设置有个原则，即要确保动子在运动过程中，不要超过band的范围。另外，除了指定band，还需要用一个空气包贴着动子表面，将动子包住。显然，band尺寸要比空气包尺寸大。最后，不要忘记再用一个大大的空气包，将所有模型包住，以使得求解域连通。

直线电机指定band后，还需要设置initial position 和运动界限（即指定negative和positive数值）。initial position是指动子的初始位置，是以画图的位置作为0参考位置。initial position为0，则意味着动子初始位置如画图的位置，保持不动。若设置初始位置为正值，则意味着动子的初始位置为，沿画图的位置向坐标轴

正方向移动该数值后的位置。negative和positive也是以图中的位置作为0参考位置，动子沿坐标轴负向和正向移动的位移。

二、对于旋转运动，以广泛使用的同步电动机为例，作具体阐述。

对所建模型中转子所在的位置，逆时针旋转某一角度，使得电机A相绕组通正向电流产生的磁场方向与转子磁场方向反向。之所以是反向而不是重合，是因为ansoft默认电机采用电动机惯例，也就是电流和反电动势反向。而该角度，就是转子初始位置角（initial position）。所谓A相绕组通正向电流，即A相带电流方向为流出（positive），X相带电流方向为流入（negative）。至于A相绕组通正向电流产生的磁场方向，可使用右手螺旋定则判定。此时指定的转子初始位置角，使得A相初始时刻交链的磁通为最大值，因此A相初始时刻感应电势大小为0，进一步分析还可以得出，A相初始时刻感应电势相位也为0。因此A 相感应电动势表达式为E A=Em*sin（ωt），其他两相可依据三相对称关系写出。

转子初始位置角确定以后，激励源初始相位角要

与其匹配才行。根据电机学基本原理，对发电机，空载感应电动势超前于电压一个角度，该角度就为功角（δ）。对于电动机，则为滞后关系。因此，若所仿真模型为电动机（发电机），施加激励源为电压源时，那么A相电压源表达式应为U A= Um*sin（ωt+δ）（对发电机：U A= Um*sin（ωt-δ）），其他两相可依据三相对称关系写出。

三、有关说明：

1、对于旋转运动，本帖所述方法具有很广的适用范围，可适用于所有类别的同步电机，诸如汽轮发电机，水轮发电机，永磁同步电机，爪极电机，感应子电机，等等。

2、也可以不按照本帖中默认的转子位置角及激励源初始相位角进行设置，但无论怎样，二者一定要相匹配，即转子在空间上转动多少电角度，那么电压或电流在时间上也应转动相应的电角度。

3、如果转子初始位置角和激励源初始相位角不匹配，那么仿真所得到的电流，转矩，功率曲线都是错误的，而反电势和电压是不受影响的，其中道理不难理解。

4、本贴是基于sin函数施加激励，也可以采用cos函数，但转子位置角需要在本帖所述方法基础上，移动90度电角度。

5、不建议采用电流源，因为对于二维模型，若施加电流源且导线形式设置为多股（stranded），则无法计及电机绕组和端部电感。若导线形式设置为单股（solid），虽然可计及电阻，但与电机多股导线实际情况不符。

6、附件为基于Ansoft 14版本，电励磁同步电动机和发电机rmxprt及maxwell模型。在转子初始位置角及电压源初始相位角匹配的前提下，分别设置了两组不同转子初始位置角及相应的电压源初始相位角，仿真结果表明，本贴研究结论正确。

一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法

说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。

摘要附图

1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。

伺服转子初始位置的检测

采用增量式光电编码器作为位置检测元件的PMSM伺服电机，必须要在系统刚上电时就测得电机精确的初始位置。因为在永磁伺服驱动系统中，电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道，才可以按照矢量控制的一系列方程，将永磁同步电机等效变换成dq坐标系上的等效模型，系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制，从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。使用增量式光电编码器测量电机位置的伺服系统中, 系统上电后需要先检测出电机的初始位置。电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度, 而且会对电机的快速启动性能造成一定的影响。 在系统刚刚上电，电机尚未运行时，系统开始测量转子的初始位置，此过程只需要电流环工作，根据伺服系统运行要求，在寻找初始位置的过程中，只允许有很微小的抖动，并且要求很快回归原位。 假设，采用H45-8-2500-WL型光电编码器，电机转动过程中，编码器输出的信号：A（/A）、B（/B）、Z（/Z）、U（/U）、V（/V）和W（/W），如图1（b）所示。其中A（/A）、B（/B）两组信号为相差相位角的同频率信号，分辨率为2500PPR，通过判断两组脉冲的相位可以判断出电机的旋转方向，这两组信号经4倍频之后，电机空间位置的分辨率变为10000PPR。脉冲Z （/Z）是同步信号，电机每旋转一周产生一个信号，其产生的位置固定，即电机转子转到该位置时发出信号（零位信号）。 如图1所示为伺服电机混合式光电编码器的码盘结构及输出信号波形。码盘的中间码道为刻有高密度的增量式透光缝隙（2000，2500，3000PPR等），两边分布两组互成的三个缝隙，受光元件（Photo-Diode Array）接收到发光元件（LED）通过缝隙的光线而产生互差的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号U（/U）、V（/V）和W（/W）。利用这些信号的组合状态来分别代表磁极在空间的不同位置。U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U（/U）、V（/V）和W （/W）三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。这里，伺服电机极对数为4对极，则每相输出信号U（/U）、V（/V）和W（/W）的周期为空间，在每个周期中可以组合成6种状态，每种状态代表空间角度范围为。

内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法

万方数据

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内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法 作者：王高林， 杨荣峰， 于泳， 徐壮， 徐殿国， WANG Gao-lin， YANG Rong-feng， YU Yong ， XU Zhuang， XU Dian-guo 作者单位：哈尔滨工业大学,电气工程及自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001 刊名： 电机与控制学报 英文刊名：ELECTRIC MACHINES AND CONTROL 年，卷(期)：2010,14(6) 参考文献(8条) 1.RACA D;HARKE M C;LORENZ R D Robust magnet polarity estimation for initialization of PM synchronous machines with near -zero saliency 2008(04) 2.廖勇;沈朗;姚骏改进的面贴式永磁同步电机转子初始位置检测[期刊论文]-电机与控制学报 2009(02) 3.王丽梅;郑建芬;郭庆鼎基于载波注入的IPMSM转子初始位置估计[期刊论文]-电气传动 2005(03) 4.JEONG Yuseok;LORENZ R D;JAHNS T M Initial rotor position estimation of an interior permanent-magnet synchronous machine using carrier-frequency injection methods[外文期刊] 2005(01) 5.JANG Jihoon;SUL Seungki;HA Jungik Sensorless drive of surface-mounted permanent-magnet motor by high-frequency signal injection based on magnetic saliency[外文期刊] 2003(04) 6.CORLEY M J;LORENZ R D Rotor position and velocity estimation for a salient-pole permanent magnet synchronous machine at standstill and high speeds[外文期刊] 1998(04) 7.NAKASHIMA S;INAGAKI Y;MIKI I Sensodess initial rotor position estimation of surface permanent-magnet synchronous motor[外文期刊] 2000(06) 8.贾洪平;贺益康基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(15)引证文献(1条) 1.王冉珺.刘恩海永磁同步电机转子初始位置的检测方法[期刊论文]-电机与控制学报 2012(1) 本文链接：https://www.wendangku.net/doc/b210741083.html,/Periodical_djykzxb201006010.aspx

关于Ansoft maxwell中转子初始位置角及激励源初始相位角的说明

若对电机进行运动分析，则须采用瞬态场（transient）模块，并且assign band，和进行相应的运动设置（motion setup）。电机的运动形式主要分为直线运动和旋转运动，本帖针对广大新手包括很多老手搞不清楚的地方，进行了研究，并附上实际工程，供大家学习和参考。 一、对于直线运动，以广泛使用的直线电机为例，作具体阐述。 直线电机band设置有个原则，即要确保动子在运动过程中，不要超过band的范围。另外，除了指定band，还需要用一个空气包贴着动子表面，将动子包住。显然，band尺寸要比空气包尺寸大。最后，不要忘记再用一个大大的空气包，将所有模型包住，以使得求解域连通。 直线电机指定band后，还需要设置initial position 和运动界限（即指定negative和positive数值）。initial position是指动子的初始位置，是以画图的位置作为0参考位置。initial position为0，则意味着动子初始位置如画图的位置，保持不动。若设置初始位置为正值，则意味着动子的初始位置为，沿画图的位置向坐标轴

正方向移动该数值后的位置。negative和positive也是以图中的位置作为0参考位置，动子沿坐标轴负向和正向移动的位移。 二、对于旋转运动，以广泛使用的同步电动机为例，作具体阐述。 对所建模型中转子所在的位置，逆时针旋转某一角度，使得电机A相绕组通正向电流产生的磁场方向与转子磁场方向反向。之所以是反向而不是重合，是因为ansoft默认电机采用电动机惯例，也就是电流和反电动势反向。而该角度，就是转子初始位置角（initial position）。所谓A相绕组通正向电流，即A相带电流方向为流出（positive），X相带电流方向为流入（negative）。至于A相绕组通正向电流产生的磁场方向，可使用右手螺旋定则判定。此时指定的转子初始位置角，使得A相初始时刻交链的磁通为最大值，因此A相初始时刻感应电势大小为0，进一步分析还可以得出，A相初始时刻感应电势相位也为0。因此A 相感应电动势表达式为E A=Em*sin（ωt），其他两相可依据三相对称关系写出。 转子初始位置角确定以后，激励源初始相位角要

基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测1

基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测 Initial Rotor Position Inspection of PMSM Based on Rotating High Frequency Voltage Signal Injection 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院蔡名飞周元钧 摘要:为了解决新型无位置传感器永磁同步电机的起动问题，提出了一种在电机静止状态下检测转子位置的新方法。 该方法在算法上改进了传统的旋转高频电压注入法，使得可以更为快速、准确的检测出转子初始(均扫位置。并且针对传统旋转高频电压注人法无法检测出转子永磁体极性问题，在dq旋转坐标系下，通过分析永磁同步卜匕机d轴磁链和定子电流之间的关系，利用d轴电流的泰勒级数展开，提出J’根据定子铁芯非线性磁化特性获得判另}J N/S极极性信息的新方一案。最后，建立了系统仿真模型。仿真结果验证了这种方法的有效性和可行性。此方法同样适用于永磁同步电机在中、低速时的转子位置检测。 关键词:永磁同步电机转子初始位置旋转高频注人非线性磁化特性N/S极极性 1引言 永磁同步电机高精态、高动态性能的速度、位置控制，都需要准确的转子位置信息。如果位置检测误差较大，会导致电机不能正常起动、运行。传统方法是通过机械式传感器来测量转子的速度和位置。但机械式传感器减低了系统的可靠性，增加了系统的成本;同时传感器对环境有着严格的要求，电磁干扰、温度、湿度、振动对它的测量精度都有影响。特别针对某些航空伺服电机，长期工作在恶劣、复杂的环境中，所以研究无位置传感器不仅可 以减少航空电机成本，而且可以减少不必要的引线，将大大提高整个系统的可靠性〔‘]。 最简单的无位置传感器控制方法是文献「2]提出的基于对检测到的电机反电动势进行积分，这种方法虽然简单，但是在零速或低速阶段因为反电动太小，难以检测而失败。后来人们又提出了高频注人法，其主要思想是用电机固有的空间凸极或凸极效应可以实现对转子位置的检测，这种方法与转速没有直接关系，有效克服了反电动势法的 缺陷。文献〔3]提出通过处理电流高频响应，采取求导取极值计算电机的初始位置，但这种方法存在震荡现象，高频电流也会因滤波器移相导致检测误差，并且也没有给出电 机N/S极极性检测方法。文献【4]提出在电机中注人幅值相同、方向不同的系列脉冲，检测并比较相应电流的大小来估计转子的位置。这种方法可行但是对注入脉冲的电压幅 值和时间控制要求比较高，操作复杂，检测时间过长。文献[[5][6]通过注人高频信号引起PMSM的d,q轴磁链饱和程度差异实现初始位置检测，这种方法高频电流信号提取复 杂，容易带来计算误差，难以做到转子位置的实时检测跟踪。文献〔7l所使用的电机经过特殊设计，不具普遍性，仅适用于理论研究。 为了解决以上方法的存在的问题，本文提出了一种基于旋转高频电压注人法的永磁同步电机转子初始位置检测的新方法。在电机静止状态下，通过向电机定子三相绕组中注入高频电压信号，利用电机凸极效应，通过处理高频电流响应，得出转子的位置信号。为此，本文进行了仿真研究，实现了转子d轴位置和N/S极极性的快速、准确检测。 2高频激励下的永磁同步电机的数学模型

一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法

一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法

1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估 计的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时， 收敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ 进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。