FOC学习笔记（3）结构性凸极与饱和性凸极的区别及其在无感FOC中的影响

电机凸极性(Saliency)是指由于转子磁路不对称性导致的直轴(d轴)和交轴(q轴)磁阻或电感存在差异的特性。这种不对称性表现为d轴(与转子永磁体磁场方向一致)磁阻通常较大(电感较小)，而与之正交的q轴磁阻通常较小(电感较大)。凸极性是无位置传感器控制(特别是高频注入法)实现转子位置估算的关键物理基础，尤其在零速和低速工况下至关重要。

凸极性主要来源于两种机制：结构性凸极和饱和性凸极。结构性凸极是由转子物理结构本身的不对称性(如内置磁障、永磁体特殊嵌入方式等)造成的，这类凸极在IPMSM(内置式永磁同步电机)和同步磁阻电机(SynRM)中表现尤为明显。而饱和性凸极则是在高电流工况下，由于铁芯磁饱和效应导致d/q轴电感发生变化而产生的，这种凸极即使在转子结构对称的电机(如SPMSM表贴式永磁同步电机)高负载运行时也会出现。

在实际应用中，凸极性的存在使得高频注入法等无位置传感器控制技术成为可能。通过向电机注入高频信号并检测d/q轴电感差异引起的电流响应变化，可以准确提取转子位置信息。对于结构性凸极显著的电机(如IPMSM)，这种方法在零速和低速时特别有效；而对于隐极电机(如SPMSM)，则需要利用其在高负载时表现出的饱和性凸极特性，或结合其他控制策略来实现位置估算。理解这两种凸极特性的差异及其对控制算法的影响，对于设计高性能的无位置传感器控制系统至关重要。

凸极性的来源

类型	成因	典型电机
结构性凸极	转子物理结构不对称（如磁障、永磁体嵌入方式）	IPMSM、同步磁阻电机（SynRM）
饱和性凸极	高电流下铁芯磁饱和导致d/q轴电感变化（即使结构对称也可能出现）	SPMSM（高负载时）、IPMSM

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1. 基本概念

(1) 结构性凸极（Structural Saliency）

• 定义：由转子物理结构不对称（如磁障、磁钢嵌入方式）导致的d轴与q轴磁阻差异。

• 典型电机：

  • 内置式永磁同步电机（IPMSM）

  • 同步磁阻电机（SynRM）

• 特点：

  • 凸极率（Lq/LdLq​/Ld​）固定，基本不随电流变化。

  • 高频信号注入时，电流响应中的位置信息清晰可辨。

(2) 饱和性凸极（Saturation-Induced Saliency）

• 定义：因铁芯磁饱和效应（尤其在高电流时）导致的等效d/q轴电感变化，即使转子结构对称也可能出现。

• 典型电机：

  • 表面式永磁同步电机（SPMSM，本应无结构性凸极）

  • 部分IPMSM（在高饱和时附加效应）

• 特点：

  • 凸极率随电流幅值变化（非线性）。

  • 位置信号可能畸变，需额外补偿。

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2. 物理成因对比

特性	结构性凸极	饱和性凸极
来源	转子物理结构不对称（如磁障、磁钢嵌入）	铁芯磁饱和（高电流时d/q轴磁导率变化）
是否依赖电流	基本无关	强相关（电流越大，饱和越显著）
典型电机	IPMSM, SynRM	SPMSM, 高负载下的IPMSM
电感关系	Ld	LdLd​因饱和下降更明显，可能使Ld≈LqLd​≈Lq​甚至反转

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3. 对无感FOC算法的影响

(1) 高频信号注入法的响应差异

• 结构性凸极：

  • 电流响应中二次谐波幅值稳定，位置解调简单（如PLL锁定）。

  • 适用于传统高频正弦注入或方波注入。

• 饱和性凸极：

  • 电流响应幅值随负载变化，位置信号可能畸变。

  • 需动态补偿饱和效应（如在线电感辨识）。

(2) 算法设计挑战

问题	结构性凸极	饱和性凸极
位置估算精度	高（信号清晰）	可能降低（需饱和补偿）
参数敏感性	依赖固定凸极率	依赖电流工况，需自适应调整
典型解决方案	标准HFI算法	自适应观测器、在线参数辨识

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4. 实际应用中的处理策略

(1) 结构性凸极的利用

• IPMSM控制：

  • 直接利用Ld≠LqLd​=Lq​的特性，通过HFI实现零低速控制。

  • 示例：脉振高频注入法（Pulsating HFI）通过d轴注入提取q轴电流响应。

(2) 饱和性凸极的补偿

• SPMSM的无感控制：

  • 传统认为SPMSM无凸极，但饱和效应可被利用：

    • 注入高频信号后，饱和导致LdLd​略小于LqLq​，形成等效凸极。

  • 需动态调整观测器增益（如EKF结合饱和模型）。

• IPMSM高负载工况：

  • 额外饱和效应可能掩盖结构性凸极，需混合策略：

    Ld,eff=Ld0−ΔLsat(id),Lq,eff=Lq0−ΔLsat(iq)Ld,eff​=Ld0​−ΔLsat​(id​),Lq,eff​=Lq0​−ΔLsat​(iq​)

    其中ΔLsatΔLsat​为饱和补偿项。

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5. 实验对比案例

(1) IPMSM（结构性凸极主导）

• 现象：零速下HFI位置误差<1°，且不随负载显著变化。

• 原因：Ld/LqLd​/Lq​比值稳定（如0.6）。

(2) SPMSM（饱和性凸极主导）

• 现象：空载时位置估算失败，负载增大后误差减小（饱和凸极显现）。

• 数据：

  负载率	等效Ld/LqLd​/Lq​	位置误差
  0%	1.0（无凸极）	失效
  50%	0.95	5°
  100%	0.85	2°

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6. 结论

• 结构性凸极是转子设计的固有特性，适用于标准高频注入法，稳定性高。

• 饱和性凸极由磁饱和引发，需动态补偿，但为SPMSM等电机提供了无感控制的可能性。

• 现代趋势：

  • 结合两类凸极（如IPMSM中同时考虑结构性与饱和效应）。

  • 机器学习辅助凸极率在线辨识（如神经网络拟合Ld(id),Lq(iq)Ld​(id​),Lq​(iq​)）。

通过合理建模和算法设计，两类凸极均可为无位置传感器控制提供可靠的位置信息。