永磁同步电机具有高功率密度、高效率、强动态性能等优点，在工业控制、电动汽车、轨道交通、航空航天等领域应用越来越广泛。本研究提出了一种重复窄短路脉冲与高阶锁相的带速重投策略。通过提高带速重投过程脉冲宽度调制频率，减小电流增量，更准确控制电流幅值；通过施加两个测试短路脉冲，根据相电流幅值自适应调整短路脉冲宽度与时间间隔；采用电流过采样方法，降低采样噪声对位置估计的影响；设计三阶锁相环实现短路电流快速、准确锁相，实现转子位置和转速的连续估计。实验结果表明，所提出策略在全速范围将电流幅值控制在额定电流的5%以内，减小电流纹波，降低母线电压泵升速率，提高位置和转速估计精度，从而实现快速、无电流冲击的带速重投。

研究背景

在一些大转动惯量应用领域，如空调室外风机在外界风力作用下快速起动；家用电器中高速电吹风、吸尘器等在使用过程中频繁起动；高速列车牵引电机在跨相区供电等工况有短暂停止供电，此时驱动系统需要在未知速度下重新启动。

在类似场合下，即在电机驱动器重新投入闭环时刻，电机仍有初速度，此时需要使用带速重投方法，否则会造成冲击电流、母线电压泵升和电机抖动，严重时还会损坏功率器件。带速重投需要实时获得转子磁极位置和转速信息，采用位置传感器会增加系统成本，降低系统在复杂环境中的可靠性等，因此对无位置传感器控制带速重投技术的需求日益增加。

论文所解决的问题及意义

近年来，多种带速重投方法相继被提出，主要分为三类：电压检测法、虚拟电阻法、零电压矢量脉冲法。电压检测法重投效果最好，但是需要增加电压检测硬件电路，增加了系统成本。虚拟电阻法将逆变器等效成大电阻，限制切入时刻的大电流冲击，但是过大的虚拟电阻会导致系统不稳定。零电压矢量脉冲法控制逆变器开关，通过检测反电动势激励的短路电流，估计转子位置与转速，实现简单、通用性强，受到广泛关注。

本文提出的重复窄短路脉冲与高阶锁相带速重投策略可以在全速范围将电流幅值控制在额定电流的5%以内，减小电流纹波，降低母线电压泵升速率，提高位置和转速估计精度，实现快速、无电流冲击的带速重投。

论文方法及创新点

1、母线电压泵升、采样噪声、收敛速度分析

施加短路脉冲的脉冲间隔时间段，电流流动方向如图 1所示。脉冲间隔时间段经二极管续流的电流形成了类似Boost升压电路，如图 2所示。考虑脉冲作用时间，推导了母线电容电压泵升的关系式。分析了加入白噪声对锁相环跟踪性能的影响。对比了二阶与三阶锁相环的跟踪误差与收敛速度。

图1 脉冲间隔电流流向

图2 经二极管续流时的等效Boost电路

2、确定短路脉冲作用时间与间隔时间

所提方法在第一个脉冲根据设置电流幅值大小自适应调整短路脉冲的作用时间，即需要确定短路脉冲持续多少个PWM周期。脉冲间隔时间根据前面两个测试脉冲与脉冲作用时间确定。载波与脉冲作用的过程如图 3所示。

图3 载波与实际脉冲时间

3、三阶锁相环设计

从图 3中，根据前面两个测试脉冲分别确定初始电流矢量位置和转速，赋给三阶锁相环积分环节作为初始值，加速锁相环收敛。三阶锁相环的结构框图如图 4所示。

图4 三阶锁相环的结构框图

4、电流过采样

考虑到电流采样受噪声影响，单次电流采样会受到较大干扰，降低锁相环的跟踪精度，为此加入电流过采样技术。通过对相电流在触发时刻进行多次连续过采样，然后取过采样后的平均相电流用作计算。所提策略的整个控制系统结构框图如图 5所示。

图5 重复窄短路脉冲与高阶锁相控制框图

5、实验验证

为验证本文提出方法的有效性，基于图6实验平台，在相同测试条件下对比了传统双脉冲、多脉冲二阶锁相环以及提出的重复窄短路脉冲与高阶锁相三种方法的带速重投性能。图7是电机2400 r/min是否加入本文所提方法重投实验结果对比。图8是图2实验中对应的母线电压泵升情况。

实验结果表明，使用本文所提方法母线电压泵升小，不会触发过压保护；短路脉冲激励电流幅值在5%额定电流以内，且收敛速度快，能在5 ms内实现较好的位置、转速跟踪，并平滑切换无位置传感器闭环控制。

图6 实验平台

图7 2400r/min加/不加重复窄短路脉冲带速重投实验波形

图8 2400r/min加/不加重复窄短路脉冲母线电压实验波形

结论

本文针对永磁同步电机带速重投中传统双脉冲与多脉冲二阶锁相环等方法存在母线电压泵升、位置估算精度低以及动态跟踪速度慢等问题，提出了一种加入电流过采样技术的重复窄短路脉冲与高阶锁相的永磁同步电机带速重投方法。实验结果表明：

1）所提出的带速重投方法通过增加PWM频率和自适应调整脉冲宽度和间隔调整策略，可以减小电流纹波、减缓母线电压泵升速率。

2）所提出的带速重投方法通过高阶锁相环及电流过采样处理，可以加快位置和转速的收敛速率，提高位置和转速估计精度，并减少带速重投所需时间，实现平滑的电流、位置切换。

团队介绍

浙江工业大学信息工程学院先进电机驱动系统团队长期致力于高性能电机驱动技术的研究与应用，主要研究方向有永磁同步电机无位置传感器控制、高性能伺服控制技术、参数辨识方法、脉冲宽度调制、低载波比控制、单母线电流采样重构技术等。近6年来，该团队主持完成多项国家、浙江省自然科学基金，以及为企业、科研院开发了近三十余款电机控制器，所研发产品已应用于航空油泵、家用/工业/汽车EC风机、水泵、电动叉车等行业。

吴春，副教授，博士生导师，研究方向为无位置传感器电机驱动系统和高性能伺服驱动系统等。

康李佳，硕士研究生，研究方向为永磁同步电机无位置传感器在线参数辨识及带速重投研究。

本工作成果发表在2024年增刊1《电工技术学报》，论文标题为“基于重复窄短路脉冲与高阶锁相的永磁同步电机带速重投策略“。本课题得到国家自然科学基金和浙江省自然科学基金项目的支持。