基于高频信号注入法的pmsm无感器检测技术

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1、基于高频信号注入法的PMSM无感器检测技术摘要：采用脉振高频电压信号注入法来估计SPMSM转子的速度和位置。通过在估计的转子d轴上注入高频电压信号，利于面贴式永磁同步电机的饱和凸极性，检测对应的含有转子位置信息的电流响应信号来确定转子的位置和转速。通过Matlab仿真实验，证明了脉振高频信号注入法在无传感器控制系统中的可行性和控制效果。关键词：面贴式永磁同步电机；脉振高频信号；凸极性；无传感器中图分类号：TM3517在交流电机中永磁同步电机以其结构简单、体积小、效率和功率因数高、机械特性硬、可靠性和对环境的适应性

2、好等优点得到了广泛的应用，尤其是在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下应用广泛。永磁同步电机的控制多采用矢量控制方法，而矢量控制需要检测出电机的速度和转子的位置。传统的检测方法是利用机械式传感器（测速发电机、光电编码器、磁编码器、旋转变压器等）来检测电机的速度和转子位置。机械式传感器的存在增加了系统的成本和降低了系统的可靠性，且存在安装、维护等问题。为了克服机械式传感器带来的这些缺点，近年来国内外学者开始寻求一种新的控制方法，即利用电机绕组本身的一些量（如定子电流、电压等），来估算出转子的速度和位置，从

3、而摒弃传统的机械式传感器。这种新型的控制方法即为无位置/速度传感器控制方法。传统的无传感器检测方法大都以基波模型为基础[1-4]，这类检测方法都有一个共同的缺点，即在低速时检测精度都大幅降低甚至检测失败。高频信号注入法不依赖于基波模型，因此可实现低速甚至零速下的检测。高频信号注入法的前提是所检测的电机必须具有一定的不对称性。通过向电机内部注入一个高频信号，然后根据其不对称性所产生的凸极效应，对应检测出注入信号的响应来获得转子的速度和位置信息。所以我们也把高频信号注入法叫做凸极性追踪方法。根据注入信号的方法，可把高

4、频信号注入法分为旋转高频信号注入法和脉动高频信号注入法。其中旋转高频信号注入法适合于凸极性比较大的电机；而脉动高频信号注入法主要应用于凸极性不明显的电机，面贴式永磁同步电机是隐极性的，脉振高频电压信号注入法产生凸极效应的具体方法是向d轴注入一个高频电压信号，产生的交变磁场沿着d轴和励磁磁场Ψr叠加，从而改变励磁磁路的饱和程度，使励磁磁路具有了凸极性，而通过改变这个高频信号的幅值即可改变电机主磁路的饱和程度，从而使面贴式PMSM具有一定的凸极效果。1脉振高频信号模型的建立7图1SPMSM数学模型图1中，d-q坐标系

5、是实际的旋转坐标系，d轴与永磁励磁磁场Ψr一致，θr为转子位置角。ωr为转子实际角速度。d’-q’坐标系是估计的旋转坐标系，为估计转子位置角，为转子估计角速度，γ为实际坐标系和估计坐标系的位置差。在上图的两个坐标系中，转子的实际坐标系我们是不知道的，因此，先将信号注入在估计的坐标系d’-q’中的d’轴上。根据永磁同步电机的数学模型，如果注入的电压信号的频率远大于电机的旋转角频率的话，可以把电机看作一个简单的R-L负载。此时的高频电压方程可以表示为：udh=（Rdh+jωhLdh）idh=Zdhidh（1）uqh=

6、（Rqh+jωhLgh）iqh=Zqhiqh上式中，udh、uqh为同步旋转坐标系下d-q轴高频电压分量；为idh、iqh为同步旋转坐标系下d-q轴高频电流分量；Rdh、Rqh为d-q轴高频电阻；Ldh、Lqh为d-q轴高频电感。ωh为注入的高频电压信号的频率，Zdh、Zqh为d-q轴高频阻抗。由图1得，转子位置误差为：（2）定义：Zavg=（Zdh+Zqh）/2（3）7Zdiff=（Zqh-Zdh）/2如果只在估计的转子同步旋转坐标系的d’轴上注入高频电压信号，q’轴上不注入信号，即：（4）则，在d’-q’坐标

7、系下，高频电流信号表示为：（5）（6）由式（5）和式（6）可以看出，当d’轴与q’轴高频电抗值不相等，即Zdiff≠0时，则在转子旋转估计坐标系下定子电流的d’、q’轴高频分量都与转子位置估计误差γ有关。由式5可以看出，即使转子的位置误差估计值为零，高频电流在d’轴上的分量值也不为零。而由式6可以看出当转子的位置估计误差值为零时，高频电流在q’轴上的分量为零。因此，可以把q’轴上的高频电流分量作为转子位置估计器的输入信号，通过某种手段就能获得转子的速度和位置信息。2控制策略由于高频电阻值相对于高频电抗值很小，因此

8、，忽略高频电阻后，阻抗值可用电抗值近似代替为：Zdh≈jωhLdhZqh≈jωhLqh（7）则式（6）可变形为：7（8）式中：由式（8）可知，q’轴上的高频电流响应信号不仅与位置误差γ有关，还与cosωht有关，是一个随时间变化量。因此，应想办法将将其去掉，使得只与γ有关。其信号处理过程如下图所示：图2转子位置误差估计器输入信号的处理过程上图中，为q’轴上的所有电流响应信