基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制

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1、摘要:介绍了一种基于电机空间凸极追踪转子位置无传感器自检测方法。该方法采用高频电压载波注入法，采用外弟法转子位置跟踪观测器完成了转子位置信息提取,实现无机械位置传感器电机转子位置检测。并仿真证明了这种方法可行性。自20批纪80年代以来，现代电机技术、现代电力电了技术、微电了技术、控制技术及计算机技术等支撑技术快速发展，交流伺服控制技术发展以极人迈进，使先前怵I扰着交流伺服系统电机控制复杂、调速性能差等问题取了突破性发展，交流伺服系统性能日渐提高，价格趋于合理，使交流伺服系统収代直流伺服系统尤其是高梢度

2、、高性能要求伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统一个发展趋势。满足高性能系统技术耍求•以永磁同步电机电力传动系统为例，实现高精度、高动态性能速度和位置控制，一般丿应采用磁场定向矢虽控制或肓接转矩控制•采取哪种控制方案，都需要测量转了速度和位置,一般是机械式传感器（编码器、解算器和测速发电机）来实现.，这类传感器有安装、电缆连接、故障等问题，并影响系统nJ靠性和限制系统使用范围,不符合集成应用系统要求。解决机械传感器给调速系统带來各种缺陷，许多学者开展了无机械传感器交流调速系统研究.无机械传感器交流调速系

3、统是指利用电机绕组中有关电信号,适当方法估计出转子位置和转速,实现转了位置自检测•曾冇很多文章提出了各种转了位置和速度检测方法,英中大多数都是检测基波反电势来获转子位置信息•这种基于基波激励方法实施简单，但零速或低速时因反电势过小而根本无法检测，只适用于高转速运行•另外，这些方法要利用基波电压和电流信号计算转子位置和速度，它们对电机参数变化很皱感，鲁棒性差。包括零速内任何速度下都能够获精确转了位置信息，一些文献提出了一种新转了位置自检测方法，即转了卄极追踪法.这种方法要求电机具冇一定程度凸极性，盂要冇

4、持续高频激励，可以实现电机全速度范围内转子位置检测.这种方法追踪是电机转子空间凸极效应，对电机参数变化不敏感，鲁棒性好.可以看岀,这种转子位置无传感器自检测方法学术思想新颖，其研究具有重要理论意义和工程实用价值。木文基于转了凸极追踪思想，介绍了采用高频电压载波注入法对内插式永磁IPM同步电机转子凸极位置实现跟踪原理，详细讨论了SPWM电压励磁条件下转子H检测方法实现技术，利用Mat-lab建立了凸极效应口检测过程仿真模型，给出了高、低速运行下转子位置口检测结果。1基于电机空间凸极追踪转子位置检测原理而

5、贴式外,一般永磁同步电机均会呈现出一定凸极性，为注入高频载波信号来跟踪转了凸极提供可能.高频载波信号注入法可分为电流注入法和电压注入法，其中电压注入法实现较为简单.设注入三相平衡电压用一个以载波信号频率旋转载波电压矢量來表示此主题相关图片如2气心==5-.八二气用式中：为静止d-q坐标系中注入高频载波电压，为载波电压矢量幅值。SPWM电压源型逆变器供电拖动系统中，可以逆变器将高频载波信号肓接加电机基波励磁上，如图1所示。此时，电机端电压为此主题相关图片如下：-sm(icm-S1JIU7)■■■式中：为

6、基波电压矢量幅值。此主题相关图片如下：图1电流型PWM电压源逆变器高频信号注入法原理图高频载波信号频率一般取lkHZ左右,远远高于基波频率,载波电压信号励磁时,电机阻抗主要取决于电机自感，此时电机模型可以简化为此主题相关图片如下：电机每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极，那么以棊波频率同步旋转d・q坐标系中，电机定子电感可以表示为此主题相关图片如下：静止d・q坐标系中，上式可以进一步转化为此主题相关图片如下：L+卫口曲0.)-/VsmCt#>式中：为定子平均电感，为定了微分电感，为以电角度表示凸极位置

7、。载波电压矢最作用有凸极效应电机屮，产生出载波电流矢最包含有正相序和负相序两个分量，即此主题相关图片如下:式中载波电流正、负和序分量幅值分别为:此主题相关图片如下:其中，正相序分量不包含位置信息，其幅值与平均电感成匸比；负相序分量包含位置信息，其幅值与微分电感成正比。提取载波电流负相序分量相角屮包含凸极位宜信息，必须滤除基波电流和载波电流正相序分量。基波电流与载波电流频率相差较大，可简单采用带通滤波器滤除。载波电流正相序分量与负相序分量旋转方向相反，可以先将载波信号电流转换到与载波信号电压同步旋转参考

8、坐标系屮，使载波电流正相序分量呈现成直流，再利用高通滤波器将其滤除。这种同步高通滤波器框图如下图所示：此主题相关图片如下：图2同步高通滤波器滤除定了电流基波分量和正相序载波电流分量后，可利用转了位置跟踪观测器实现转了空间位置自检测。跟踪观测器采用外差法，单位幅值载波电路负相序分量与实际载波电流负相序分量矢量叉乘获转子位置误差信号。即此主题相关图片如下：F二#』川2©-8」）此主题相关图片如下：图3采用外差过程转子位置跟踪观测器负相序载波电流分：Sf占计值