高频电压注入法的频率因素对转子位置观测器的影响分析冯坚栋;王爽;汪琦
【摘要】The influence of the frequency for the high frequency voltage signal made on estimator was studied when the initial position was estimated with the theory of high-frequency voltage injection was employed.The theory of high-frequency voltage injection was introduced to estimate the initial rotor position of PMSM.Meet the minimum injection frequency estimation convergence was deduced.The influence of injection frequency on the estimate accuracy and speed of the rotor position observer was studied theoretically and experimentally,thereby suitable range of injection frequency was developed.Experimental results indicated that the reasonable cut-off frequency and appropriate injection frequency could effectively balance the estimating speed and precision of the estimator.%研究了在运用高频电压注入法进行初始位置判断时,高频电压信号的频率对估算器的影响.介绍了高频电压注入法估算转子初始位置的原理,推导了满足估算收敛的最小注入频率.通过理论和试验研究了注入频率对转子位置观测器估算精度及速度的影响,提出了注入频率合适的选取范围.试验证明,合理的截止频率与合适的注入频率能有效地平衡位置观测器的估算速度及精度.
【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2017(044)008
【总页数】5页(P54-58)
【关键词】高频电压注入法;初始位置检测;不同注入频率;位置观测器
【作者】冯坚栋;王爽;汪琦
【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
传统的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)内部安装的位置传感器，体积大、成本高，会降低系统的稳定性与可靠性。在某些恶劣的环境中，其检测精度低、误差大。因此，带有位置传感器的PMSM系统的使用领域受到了限制。无位置传感器控制技术的研究，扩大了永磁电机驱动系统的使用领域，降低了系统的成本，进一步提高了系统的稳定性。
目前，国内外学者提出的无位置传感器控制策略主要有：滑模观测器法[1]、扩展卡尔曼滤波法[2]、定子磁链估算法[3]、高频注入法[4-12]等。在中高速的运行环境下，运用滑模观测器法得到的转子位置观测效果好、精度高；但在低速的情况下估算误差比较大。扩展卡尔曼滤波法涉及到矩阵计算，计算量大，不适用于低成本的微控制器。高频注入法适用于电机低速运行区域，甚至可以达到零速，但由于滤波器的相位延时，导致此方法在电机高速运行状态下效果不佳。
高频注入法也称为凸极追踪法，其基本思想是在电机端注入一个三相平衡的高频电压(电流)信号，利用电机内部磁路不对称产生的凸极效应，检测对应的高频电流(电压)响应来获取转子位置信息。该方法更适用于电机零速起动和低速运行过程。针对PMSM的高频电压注入法，文献[8]和文献[9]采用了两种不同的方法从q轴电流中提取出了转子位置。文献[10]将高频注入法和反电势观测器法结合在一起，
实现了无传感器的全范围调速。但是高频注入信号的频率范围如何确定，以及不同频率信号对观测器的影响在此类高频注入法的文章中都没有提及，因此本文就注入信号的频率与控制器的频率关系对估算器性能的影响作进一步的讨论分析。
本文探讨了高频电压注入法满足估算收敛的注入频率的最小值，探究了不同注入频率对估算器速度及精度的影响；并基于实际伺服系统，通过试验验证了不同频率的注入信号对角度估算的影响。
图1为三个坐标系变换关系，其中αβ坐标系是定子坐标系，dq坐标系是基于实
际转子电角度的旋转坐标系坐标系是基于估算电角度的旋转坐标系。
定义估算位置误差Δθ为
式中：θ——实际的转子位置；——估算的转子位置。
在dq坐标系下，当转子静止时，电压方程为
式中： Id、Iq——定子电流在d、q轴上的分量； Ud、Uq——定子电压在d、q 轴上的分量； Zd、Zq——d、q轴阻抗。
实际的dq坐标系和估算坐标系的关系为
所以，可通过将式(3)、式(4)代入式(2)，得到在估算坐标系下的电压与电流的关系：其中：Z1= Z2==jω=jωΔL
对系统注入以下高频信号：
式中：ωh——高频注入信号的角频率。
对应产生的估算轴的电流响应为
将式(7)经过变换，可以转化为式(8)：
q=sin(ωht-φd-φq)sin(2Δθ)(8)
其中： L2=
式中：φd、φq——d、q轴的阻抗角。
推导过程如下：
UIncosωht=
UIncosωhtsin(2Δθ)=
将式(8)与高频信号sin(ωht)相乘，运用三角函数的积化和差公式对其进行简化，
得到式(10)：
式中
采用低通滤波器可以将式(10)的中括号内的后一项滤除，即消除-cos(2ωht-φd-
φq)项，整理得
式中： fh——注入信号的频率。
经分析可知，式(11)中sin(2Δθ)随着Δθ变化外，其他各项均为常数项。可以采用锁相环的方式对eΔθ进行计算，锁出正确的θ角度值，获取含有转子位置的信号量。
当实际的初始位置与估算的初始位置足够相近时，sin(2Δθ)可以近似等效于2Δθ。采用只有积分环节的锁相环锁出位置后，转子位置的估计值可以表示为
其中：
本文主要探究在不同控制频率下，不同频率的注入信号对估算器的性能影响分析。
2. 1 满足系统收敛的最小注入频率
式(11)所需的锁相环控制环节如图2表示。简单的锁相环设计可以是只带积分环节的负反馈系统。
所以，该系统的闭环传递函数可以写成：
当电机静止时，电机模型可以等效为阻感串联模型，相角仅由电阻、电感及频率决定。为了保证系统的稳定性，式(15)的传递函数极点必须位于左半平面，因此需k>0。可见注入的频率也影响估算系统的稳定性。当满足以下条件时，传递函数的稳定性得以实现：
由此可以得出，d、q轴的定子电感和阻抗角必须满足式(16)：
存在这样一个充分不必要条件：在电阻、电感恒定的情况下，注入频率的最小值必须满足：
此时：
则：
即满足了式(16)。
2. 2 注入频率和估算时间的关系
在式(18)确定了最小注入频率的基础上，注入电压离散后的数学表达式可以表示为式中： Um——注入电压最大值；kθ——步长值； i——第i个采样周期。
控制器将UIn计算位数控制在16位长度之内，在采样周期t确定的情况下，kθ
的大小直接决定了注入信号的频率。关系如下：
图3中，点与点之间的间隔为一个控制周期所需的时间。从图3可以看出，由于
采样点之间的间隔时间恒定，因此在高频注入信号的一个周期中，采样点增多，注入信号越接近正弦，注入信号的频率越低。
离散化注入信号之后，在控制周期内采样每个注入信号点，运用于计算。从图3
可以看出：经过对q轴的低通滤波后，直接进行角度积分得出估算角度，估算角
在算法中的表达式可以表示为式(22)：
其中f()为低通滤波器。
由于k值中含有注入频率fh，因此当积分常数ki恒定时，注入频率越高，k值就
越大，会导致估算速度变慢。
在保证注入的最小频率满足系统的收敛条件下，从式(9)可以看出，在计算开始时，由于估算坐标系与实际坐标系有角度偏差，低注入频率会使转子抖振。
传统的PMSM双闭环控制系统中，在初始位置定位时，可以将双闭环均断开，高频电压的注入可以以开环的形式去实现。
试验中，电机的各项参数如表1所示。电机为750 W表贴式PMSM。
3. 1 注入频率绝对值的大小对估算器的影响
本试验采用的系统控制频率为10 kHz，注入频率分别选取了125 Hz、250 Hz、500 Hz和1 kHz。电机转子位置分别固定在30°电角度和60°电角度。图4中，
曲线分别代表不同注入频率下的估算器的估算角度与时间的关系。可以看出，在125 Hz的注入频率下，估算速度最快，但是估算波动非常大，由于估算频率太低，作用于一个扇区的电压矢量时间较长，导致转子在定位的初始时刻有轻微的振动，使估算器出现估算角的振荡，转子位置位于60°电角度时，由于初次估算误差比30°试验更大，因此振荡变得更加明显。在250 Hz的注入频率下，转子位置的估
算速度较快，并且误差在10°电角度以内。在500 Hz的注入频率下，转子位置的估算速度比250 Hz注入频率的估算速度要慢一些，但估算精度却能提高3°～5°。在1 kHz的注入频率下，转子位置的估算速度最慢，并且精度与500 Hz相近。
3. 2 注入频率与控制频率相对关系对估算器的影响
本试验采用了5 kHz的控制频率，选取了前文注入频率，并提取出相关的信息，
与10 kHz的试验进行了对比，如表2所示。
从试验可以看出，综合速度、精度与系统稳定性的考虑，信号注入频率fh选取为
系统控制频率fc的1/20即可，同时滤波器截止频率选择为信号的注入频率。在
此频率点附近，既能满足估算的快速性，又能够保证估算精度的需求。
本文阐述了高频电压注入法的原理。在控制滤波器截止频率这一变量的前提下，推导了满足估算系统收敛的注入频率最小值，并且给出了注入频率离散后的注入方法。在保证滤波器截止频率与注入频率大小相等的前提下，通过理论和试验研究了注入频率对转子位置观测器估算精度及速度的影响，提出了注入频率合适的选取范围，使得系统能够快速有效地估算出电机转子的初始位置。试验表明转子的位置误差在
±5°以内。
【相关文献】
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H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 电机新技术 院系：电气工程及自动化 姓名： XXX 学号： XXXX 2012年5月
基于高频注入法的交流永磁同步电机的控制系统研究 摘要：电动汽车是解决能源危机和环境污染这两大难题的重要途径，因而逐渐成为新一代交通工具的主要发展方向。鉴于永磁同步电动机（PMSM ）具有体积小、效率高、功率密度高等优点，已经在电动汽车的驱动系统中得到广泛应用。为了进一步降低电动汽车电气驱动系统的成本与复杂性，并提高控制系统的可靠性，永磁同步电机无传感器矢量控制系统成为当前亟待解决的问题。本文针对这一问题，设计了基于高频注入法的永磁同步电机无传感器矢量控制系统。针对纯延时滤波、锁相环、同步轴高通滤波等环节的实现方法、参数的选取和关键技术进行了深入的分析和探讨。 关键词： 永磁同步电机 无传感器 矢量控制 高频注入 锁相环 一、 高频注入法估计转子位置和转速的基本原理 高频注入法估计转子位置和转速基本原理为：通过在电机端注入一个三相平衡的高频电压（或电流），利用电机内部固有的或者人为的不对称性使电机在高频信号激励下产生响应，通过检测高频电流（或高频电压）响应来提取转子位置和速度信息。高频注入法可以分为旋转高频注入法和脉振高频注入法，根据注入信号的性质又分为高频电压注入法和高频电流注入法，不管采用何种形式的高频注入法均要求电机内部具有凸极效应，第二章中已经介绍了本文的研究对象内置式永磁同步电机的结构，其L d < L q ，电机呈凸极特性，而且该凸极不受定子电流的影响，采用高频注入法追踪转子位置具有很强的鲁棒性。本论文采用的是旋转高频电压注入，框图如图1-1所示。下面详细分析旋转高频电压注入法估计转子位置的基本原理。 图1-1 旋转高频电压注入法框图 永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为： 0000s s u i R p u i R p αααβββψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-1） 永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为： 0000s s u i R p u i R p αααβββψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣ ⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-2） 磁链方程为：
高频电压注入法的频率因素对转子位置观测器的影响分析冯坚栋;王爽;汪琦 【摘要】The influence of the frequency for the high frequency voltage signal made on estimator was studied when the initial position was estimated with the theory of high-frequency voltage injection was employed.The theory of high-frequency voltage injection was introduced to estimate the initial rotor position of PMSM.Meet the minimum injection frequency estimation convergence was deduced.The influence of injection frequency on the estimate accuracy and speed of the rotor position observer was studied theoretically and experimentally,thereby suitable range of injection frequency was developed.Experimental results indicated that the reasonable cut-off frequency and appropriate injection frequency could effectively balance the estimating speed and precision of the estimator.%研究了在运用高频电压注入法进行初始位置判断时,高频电压信号的频率对估算器的影响.介绍了高频电压注入法估算转子初始位置的原理,推导了满足估算收敛的最小注入频率.通过理论和试验研究了注入频率对转子位置观测器估算精度及速度的影响,提出了注入频率合适的选取范围.试验证明,合理的截止频率与合适的注入频率能有效地平衡位置观测器的估算速度及精度. 【期刊名称】《电机与控制应用》 【年(卷),期】2017(044)008 【总页数】5页(P54-58)
基于高频方波信号注入法的永磁同步电机转子位置检测方法李文真;刘景林;陈双双 【摘要】针对永磁同步电机(PMSM)低速段无传感器位置检测技术中,传统的高频方波电压注入法对测量误差敏感性强、易受采样延迟和逆变器非线性效应影响的缺点,提出一种新的位置误差提取方法.该方法用连续信号的解调代替传统的差分电流的解调方法,降低了系统对于采样误差的敏感性.首先,向估计的d轴注入高频方波电压,通过电流传感器得到高频电流响应;然后,利用傅里叶分解将估计的q轴电流响应分解为不同频率的正弦信号之和,将其与固定频率余弦调制波相乘后,经过低通滤波器得到转子位置误差,再通过位置跟踪器得到转子位置初始值;最后,基于磁路饱和效应,通过外加电流偏置法进行磁极极性辨识.仿真和实验结果表明,所提方法收敛速度快,对采样频率没有过高要求,对采样误差不敏感,相位延迟很小,并具有较高的检测精度. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)024 【总页数】9页(P5821-5829) 【关键词】高频方波信号注入;永磁同步电机;位置检测;傅里叶分解 【作者】李文真;刘景林;陈双双 【作者单位】西北工业大学自动化学院西安 710129;西北工业大学自动化学院西安 710129;西北工业大学自动化学院西安 710129 【正文语种】中文
【中图分类】TM351 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的出现大大提高了现代电力驱动系统的效率、功率密度和动态性能，为进一步降低成本、增强鲁棒性以及扩宽PMSM控制系统的应用领域，PMSM无位置传感器控制技术已 经成为电机控制领域的研究热点[1,2]。 在早期的研究阶段，只有基于反电动势的位置检测方法被应用于PMSM控制系统中，这些方法只在中速和高速时运行良好，而当电机处于低速和零速时，会由于反电动势太小而失效[3,4]。随着无传感器控制系统对电机起动和低速运行时高动态 性能需求的不断增加，高频信号注入法应运而生，它利用电机转子的结构凸极或饱和凸极效应，通过向电机定子绕组通入高频电压信号，提取包含转子位置信息的高频电流响应，解调后得到转子的位置信息。 文献[5]在静止坐标系下注入高频旋转电压矢量，这种方法被称为旋转正弦电压注 入（Rotating Sinusoidal Voltage Injection, RSVI）方法，该方法在静止参考坐 标系中注入了额外的高压，会引起q轴电流的波动，从而引起转矩脉动，而且在 重载情况下由于磁饱和效应会造成凸极率降低，检测精度变差。为了克服这些问题，有学者提出了脉振正弦电压注入（Pulsating Sinusoidal Voltage Injection, PSVI）方法，将高频电压注入到估计的d轴坐标系中。与RSVI方法类似，PSVI方法的 注入电压频率通常为载波频率的1/10左右[6]，因此，需要带通及低通滤波器来提取电机定子绕组电流中的高频分量和基波分量，这将降低电流环和速度环的带宽。为了提高动态性能，文献[7]提出了脉振方波信号注入方法，向估计的d轴注入方 波代替传统的正弦波信号，可提高注入信号频率到开关频率的一半，并省去用于降低噪声的低通滤波器，一定程度上提高了响应速度，但仍然需要用于获取基波电流的低通滤波器以及获取高频电流的带通滤波器。文献[8]将注入的方波信号频率提 高到开关频率，在1个方波周期内进行两次电流采样，并进行3次算数运算得到
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
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永磁同步电机因其转矩密度大、效率高而在电动车驱动、舰船推进、数控系统及家用电器等领域得到广泛应用。高性能的永磁同步电机控制技术如矢量控制需要转子精确的位置信息。通常转子位置信息由机械式位置传感器获得，然而该传感器的安装会增加系统的成本和尺寸，并降低系统的可靠性，且在特殊环境中无法使用机械式传感器，为了解决以上问题，国内外学者提出了无位置传感器控制技术[1-3]。 永磁同步电机无传感器策略主要有滑模观测器、扩展卡尔曼滤波器、模型参考自适应控制[4-6]。这些方法都是通过检测反电动势再利用电机模型得出转子位置，然 而在低速甚至零速的情况下，反电动势幅值太小，信噪比太低，因而无法准确提取来估计转子位置。相比之下，高频注入法在低速和零速下有着较大的优势[7-9]。 高频注入法基于电机凸极性，利用包含转子位置信息的电机高频模型电感矩阵来实现无传感器控制，通过注入高频电压或电流信号，可以从响应信号中提取转子位置。本文提出了一种基于静止α(β)参考系的方波电压注入无传感器控制策略，通过将 高频方波电压注入到定子静止参考系的α(β)轴上，高频响应电流将随位置改变而 波动，从而得到转子位置。整个信号处理过程中无需使用滤波器，可以大大提高系统带宽，注入高频方波信号可以更好地消除定子电阻的影响。同时，采用ESO进 行转子位置观测，提高了收敛速度和控制精度和抗扰动能力。最后，进行了仿真和实验的验证，证明了该方法的有效性。 IPMSM在dq旋转坐标系下的电压数学模型为 式中，ud，uq分别为dq轴电压分量，id，iq分别为dq轴的电流分量；Rs代表定子电阻；Ld，Lq分别为定子dq轴电感；p表示微分算子；ωe为转子电角速度；Ψf表示永磁体磁链。 从dq旋转坐标系到αβ静止坐标系有转换矩阵 于是把式（1）通过转换矩阵变换到αβ两相静止坐标系得到： 式中，uα，uβ分别为静止两相坐标系αβ轴电压分量；iα，iβ分别为静止两相坐
基于高频脉振信号注入的永磁同步电机转子初始位置辨识何忠祥;李明勇;朱磊 【摘要】基于高频脉振信号注入的转子初始位置辨识会存在收敛不成功的现象,这直接影响了电机的启动转矩.针对这一现象,本文首先建立了表贴式永磁同步电机在高频信号注入时的数学模型,并对初始位置辨识策略的收敛特性进行了分析,得出位置辨识收敛成功的限制条件,进而提出改进的初始位置辨识算法.仿真分析验证了该文理论分析的正确性和所提方法的有效性. 【期刊名称】《船电技术》 【年(卷),期】2016(036)003 【总页数】4页(P20-23) 【关键词】表贴式永磁同步电机;无位置传感器;转子初始位置辨识;高频脉振电压;收敛域 【作者】何忠祥;李明勇;朱磊 【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064 【正文语种】中文 【中图分类】TM351 永磁同步电机矢量控制调速系统由于其具有结构简单、尺寸小、功率密度高、动态性能好等优点，广泛应用于风力发电、船舶电力推进等领域。在永磁同步电机矢量控制启动过程中，转子初始位置信号通常由编码器等传感器提供，这些机械装置会
使系统的可靠性降低。转子初始位置的准确程度直接决定电机启动转矩的大小，甚至不能正常启动，因此，基于无位置传感器的永磁同步电机转子初始位置的辨识备受重视。 目前大多利用电机的凸极效应得到电机的初始位置信息，具体是指通过注入电压/ 电流信号，根据dq轴电感的差异，从电流/电压的响应中提取位置信息。文献[1] 和[2]利用磁路的饱和凸极效应，分析电感随注入电压脉冲信号、转子位置之间的 变化，通过比较响应电流的峰值获得转子初始位置，缺点是对检测硬件电路精度要求较高，并且没有分析磁滞效应等因素对电流峰值的影响。有的文献比较分析了旋转高频电压注入和脉振高频电压注入两种方法的位置辨识原理，并给出具体应用时需要考虑的因素。采用高频脉振电压信号注入时，有的文献引入动态电感的概念，将高频信号注入应用在凸极率很小的表贴式永磁同步电机（SPMSM）。通过跟踪电机的凸极效应，已经有很多永磁同步电机无位置传感器初始位置辨识策略，但初始位置辨识有时收敛不成功的根本原因却很少被研究分析。 本文以高频脉振电压注入为例，针对SPMSM首先分析因磁路饱和引起的电 机凸极效应，并根据高频激励下的永磁同步电机模型得到转子初始位置的辨识算法，进而运用稳定性判定依据得出初始位置辨识收敛成功的条件，进而提出改进的初始位置辨识算法，仿真分析验证了该文所提方法的有效性。 为了最大限度的利用铁磁材料，通常将SPMSM空载时直轴磁路的工作点设计在 y-i曲线的拐点处。因而，向直轴通入正电流id+时，铁磁材料工作点进入饱和区，直轴电感Ld减小；交轴磁路工作点通常位于不易饱和的原点，交轴电感Lq恒定。通过类似分析，可得Ld+< Ld-=Lq+=Lq-。 设为转子d轴位置辨识值，为转子d轴位置真实值，令为真实和辨识的位置差， 如图1所示。 由于高频注入信号的频率远高于电机旋转电频率，忽略电机电阻、反电动势和dq
基于高频脉冲电压注入的永磁同步电机无位置传感器技术研究陈长凯;曾祥君 【摘要】以隐极式永磁同步电机为研究对象，通过建立高频信号注入时永磁同步电机的响应模型，研究了基于高频脉振的方波电压注入方法，并利用三角函数运算的方式对转子角度和转速进行估计。相比传统的基于高频正弦电压注入转子位置观测方法，其可以有效减少低通滤波器的使用个数，实现转子角度的无延迟估计，提高系统的控制带宽，加快系统的快速响应性能。通过仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。%Taking the nonsalient-pole permanent magnet synchronous motor (PMSM) as research object, the responding model of PMSM with high-frequency pulse voltage injection is built, then, the square-wave voltage pulse injection method based on high-frequency vibration is researched, and the angle and rotational speed of rotor are estimated by calculating trigonometric function. Comparing to conventional high-frequency sinusoidal voltage signals injection method for observing the rotor position, it is effective to real-time observe the rotor angle, improve the control bandwidth of the system and accelerate the rapid response performance with less low-pass filter. The simulation results verify the feasibility and effectiveness of this method. 【期刊名称】《电气传动自动化》 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】5页(P1-5)
永磁电机转子位置检测方法 摘要：本文介绍了一种基于旋转变压器与AD2S1210数字变换器相结合的转 子位置检测方法。介绍了一种用于旋转变压器信号调理电路的改进建议，它具有 减小信号畸变、抑制高频干扰、提高测量准确度等优点。该方法利用测童绕组的 电压过零点和感应到的电流过零点之间的相位差来校正转子初位（初始位置）角度。通过试验，证明了调理电路的正确性，以及转子位置初始角标定的精确性。 关键词：永磁电机；转子位置；检测标定 1高速永磁同步电机转子位置检测方法 PMSM相对于异步电动机,具有体积小,质量轻,效率高,功率系数高等特点。其中,大容量低速直驱型永磁电机由于其特有的振动噪音特性,被广泛用于调查船、 科考船等特殊舰船的推进系统中。基于状态观测器的无位置传感器系统是当前国 内外学者关注的焦点,其中最受关注的有:龙贝格观测器,滑模观测器,以及扩展卡 尔曼滤波观测器。通过以上对多种无需位置传感器的转子位置探测方法进行的研 究总结发现，扩充卡尔曼滤波器的算法比较复杂，而且还涉及到矩阵的逆向运算，其计算量非常大，对单片机的要求也非常高，因此其在实际中的应用有很大的局 限性；而高频信号注入方法只能在低转速和零转速范围内有效，无法对PMSM，尤 其是HPMSM，进行全转速范围内的转子位置探测；该方法具有结构简单、算法通 俗易懂、易于数字化实现等优点，但其通常采用的PI自适应控制器，其动态和 稳定特性无法适用于高速PMSM的转子位置检测，低速时有轻微的振荡，高速时 有很大的时滞。滑模观测器方法响应速度快、算法简单、便于工程实施，且对外 界扰动不敏感，具有良好的抗干扰性和鲁棒性，但该方法在转速数万转/分钟、 乃至数千转/分钟时，仍有明显的抖振现象[1]。 综合上述各种方式的优点和不足，采用位置传感器进行转子位置探测的方式 更加直观，位置检测传感器器有两类，一类是光电编码器，另一类是旋转变压器。由于采用了光电编码器，只能获得相对位置，所以在起动过程中，还需采用其他
基于旋转高频电压注入的永磁同步电机转子初始位置辨识方法杨健;杨淑英;李浩源;张兴 【摘要】内置式永磁同步电机(IPMSM)广泛采用旋转高频注入法辨识转子初始位置,但其辨识精度受到数字控制采样和计算延时、PWM输出延时以及信号解调过程中滤波器环节产生的相位延时等因素的影响.该文在对各因素产生的影响进行分析的基础上提出一种统一补偿算法.该补偿算法利用相关影响因素对正序电流和负序电流产生相位影响所具有的相关性,通过提取正序电流信号中的相位偏差,对负序电流信号的相位进行统一补偿,以提高位置观测精度.为区分转子磁极极性,提出基于电流闭环控制的饱和电感量极性判断方法.该方法在极性辨识过程中,为使电机处于静止状态,将交轴(q轴)电流控制为0,通过施加不同的直轴(d轴)电流,比较计算得到对应的电感值,并据此达到极性判断的目的.实验结果验证了误差补偿和极性判断算法的有效性. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2018(033)015 【总页数】9页(P3547-3555) 【关键词】永磁同步电机;转子初始位置辨识;极性判断;延时校正 【作者】杨健;杨淑英;李浩源;张兴 【作者单位】合肥工业大学智能制造技术研究院合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院合肥 230009
【正文语种】中文 【中图分类】TM351 内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Machines, IPMSM）因具有高转矩、高能量密度和高性能等优点在新能源电动汽车等领域获 得广泛应用[1-3]。然而，电机的自起动能力的缺失致使在电机转子初始位置不能 准确获得的情况下，可能会出现起动过程中电机转子“反转”、起动失败等起动异常情况[4,5]。因此，转子初始位置辨识的精度和可靠性成为永磁同步电机驱动系 统的技术关键。 通过位置传感器获得转子位置的方法不仅增加了系统成本，而且降低了系统的可靠性。为此，永磁同步电机无位置传感器控制方案的研究已成为近年来学术界研究的热点和难点。相比基于基波模型的转子位置辨识方案，高频信号注入法的参数鲁棒性高、低速、零速辨识能力强的优点使其成为中、低速运行范围的主流转子位置辨识方案。高频注入法的本质是利用电机转子凸极结构或者凸极效应所产生的调制作用实现转子位置的辨识[6-8]。根据注入信号的类型和参考坐标系的不同，高频信 号注入法可分为静止坐标系下的旋转高频注入法[9-11]和旋转坐标系下的脉振高频注入法[12-14]两类。 相比于脉振高频注入法，旋转高频注入法因对运行过程中参数变化不敏感，且易于工程实现，广泛应用于永磁同步电机零、低速运行时的位置鉴别[15-17]。然而， 该方案的位置辨识精度受到数字滤波器所产生的解调延时[18]和数字控制采样、计算以及PWM输出等所产生的控制延时两方面因素的影响较大。文献[19]通过配置低通滤波器在信号解调通路中的位置，提升转子位置观测精度，但效果较为有限。文献[20]采用纯延时方案对高频信号进行提取，却不能滤除调制所产生的高次谐波，且多个延时环节使得相关补偿措施难以实施。文献[21]忽略PWM调制所引起的滞
此主题相关图片如下： 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直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： 式中：为基波电压矢量幅值。 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1kHZ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，那么以基波频率同步旋转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： 式中：为定子平均电感，为定子微分电感，为以电角度表示凸极位置。 载波电压矢量作用有凸极效应电机中，产生出载波电流矢量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、负相序分量幅值分别为： 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正比；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中包含凸极位置信息，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坐标系中，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列图所示： 此主题相关图片如下： 图2 同步高通滤波器 滤除定子电流基波分量和正相序载波电流分量后，可利用转子位置跟踪观测器实现转子空间位置自检测。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： 此主题相关图片如下：
基于高通谐振滤波器的高频脉振电流注入法研究 关振宏;杜平;王涛;张羽 【摘要】当高频脉振电流注入法利用电机的凸极效应实现无位置传感器控制时，为了避免注入信号幅值选取的不当，导致提取转子位置信息的高频响应信号解调失败和转矩脉动，提出一种将高通谐振滤波器引入转子位置提取通道的方法。利用高通谐振滤波器在低频段的高度衰减性，在谐振点对解调信号放大增幅的特性，提高了含有转子初始位置信息的信噪比。对转子位置信号的滤波优化，使得电机无位置算法在解调响应信号的难度降低，转子位置和转速的估算可以实现零误差。最后通过仿真对比研究验证了方法的正确性和有效性。%When sensorless control is realized in the high-frequency pulsating current injection method by means of saliency effect of the motor, to avoid demodulation failure of the HF response signal for extraction of rotor position information and torque ripple due to improper selection of the amplitude of injection signal,this paper presents a method for importing the high-pass resonator filter into the motor position extraction channel.Its principle is to take advantage of high attenuation of the high-pass resonator filter in the low frequency range as well as amplification of demodulated signal at the resonance point to raise the signal-to-noise ratio of the information containing original rotor position.This approach optimizes filtering of the rotor position signal so that it is not so difficult to demodulate the response signal by sensorless motor algorithm,and zero error can be realized in the estimation of rotor position and speed.Finally, simulation and comparison verify the correctness and effectiveness of the proposed approach.
电传动车辆轮毂电机无位置传感器控制研究 赵其进; 廖自力; 张新喜; 陈路明 【期刊名称】《《火力与指挥控制》》 【年(卷),期】2019(044)008 【总页数】6页(P41-45,50) 【关键词】永磁同步电机; 无位置传感器; 脉振高频注入法 【作者】赵其进; 廖自力; 张新喜; 陈路明 【作者单位】陆军装甲兵学院兵器与控制系北京 100072 【正文语种】中文 【中图分类】TM341 0 引言 随着装甲车辆全电化发展模式的提出，高效稳定的电传动系统成为推动其发展的重要基础［1］。针对电机及其控制系统，海军工程大学马伟明院士提出了“高功率密度、高精度、高可靠性、高适应性”的未来发展方向［2］。目前，电传动装甲车辆轮毂驱动系统中，都安装有用于转子位置检测的传感器（多为旋变或光电编码器），用来提取转子速度和位置信息，从而对电机进行精确控制。但传感器的安装不仅增加了驱动系统的体积和重量，而且在战场等恶劣环境中运行时，可能由于传感器损坏导致控制系统不稳定运行或失控，车辆无法正常运行，造成严重后果。为提高轮毂电机驱动系统可靠性，研究一种适用于装甲车辆电传动系统的无位置传感
器技术，来取代实际传感器或作为一种备用控制模式具有十分重大的意义。 目前，广泛研究和应用的电机无位置无传感器控制方法主要分为两类［3］：一类是基于电机基波反电动势的估计方法，包括电压电流检测法、观测器方法、模型参考自适应法等，此类方法适用于电机在中、高转速运行时的位置检测，当电机低速或起动时，感应电动势小，往往达不到理想的效果［4］；另一类是基于电机凸极性的估计方法，包括电感测量法、旋转高频注入法、脉振高频注入法等，这类方法对电机参数没有太大依赖，也不需要电机反电动势信号，在零速或者低速场合兼能使用，并且具有较好的鲁棒性能［5］。在我国轨道交通中，中车集团运用模型参考自适应速度估计方法，对列车实现了无速度传感器可靠运行，但轨道列车的电机基本运行在恒速度段，且运行环境良好，易于实现稳定的控制［6］。相比之下，装甲车辆经常运行在恶劣环境中，且面临急停、急转弯、急加减速等复杂工况，基于反电动势的位置估计方法达不到较好的效果。 基于此，笔者利用内置式永磁电机所具有的凸极效应，将脉振高频注入法引入轮毂电机控制系统，以某型电传动装甲车辆的轮毂电机作为研究对象，进行无速度传感器控制仿真研究。 1 轮毂电机控制策略 1.1 电机数学模型 对于内置式永磁同步电机，为便于分析，忽略永磁体阻尼作用以及磁滞损耗，在d-q 旋转坐标系下，其定子电压方程为［7］： 转矩方程为： 运动方程为：
带有动态误差角补偿的PMSM新型转子位置观测器 陆骏;杨建国;马胤琛 【摘要】在凸极永磁同步电机的几种观测模型中，等效反电势模型结构简单、不依赖转子转速、对电机参数不确定性的敏感度较低，也不受积分器引起的各项误差影响。在等效反电势模型的基础上，提出了一种带有动态误差角补偿的新型转子位置观测器。利用滑模观测器来估计等效反电势，提取含有误差项的转子位置信息。动态误差角补偿器进一步减少了定子直轴电流变化率引起的转子位置估计误差，改善了凸极永磁同步电机直接转矩控制系统的无传感器位置估算性能。相比于没有补偿动态误差角的观测器，提出的新型观测器具有如下优点：1）针对DTC系统转矩响应速度快的特点，新型观测器提高了在转速或负载瞬变情况下位置动态观测精度；2）针对DTC系统电流谐波大的特点，新型观测器减少了电流谐波引起的观测误差，提高了转速稳态时的位置观测精度。通过实验证明了该观测器的可行性和有效性。 【期刊名称】《制造业自动化》 【年(卷),期】2016(038)009 【总页数】5页(P9-13) 【关键词】永磁同步电机;滑动模态;转子位置观测;直接转矩控制;误差补偿 【作者】陆骏;杨建国;马胤琛 【作者单位】东华大学机械工程学院，上海 201620;东华大学机械工程学院，上海 201620;东华大学机械工程学院，上海 201620
【正文语种】中文 【中图分类】Tm301.2 永磁同步电机PMSM（Permanent Magnetic Synchronous Motor）具有结构简单、体积小、损耗小、效率高等优点，广泛应用于工业生产、国防和日常生活等领域。永磁同步电机是一个全封闭整体直驱系统，其调速系统需要通过在电机轴上安装速度和位置传感器来实现，同时也带来了以下问题：1）受温度、湿度、检测距离、振动等使用条件的限制，特别是在一些对检测精度要求较高的场合，传感器对工作条件有更苛刻的要求，从而限制了PMSM在这一些特殊领域的应用，使得安装有此类传感器的驱动系统不能适用于各种场合；2）传感器的安装加大了电机的体积和空间尺寸，同时也增加了系统的转动惯量；3）为了保证测量精度，传感器的安装和维护要求也较高，这就增加了驱动系统的复杂性、降低了系统可靠性，同时提高了成本。因此，永磁同步电机无传感器控制成为了电机控制领域的研究热点，特别是在国防科技领域等的现代机电控制系统中占有重要位置。国内外已有很多关于无传感器矢量控制［1］和直接转矩控制［2］系统的研究成果面世，特别是直接转矩控制技术DTC（Direct Torque Control）近年来引起了业界研究人员的高度关注，掀起了研究热潮。无传感器DTC的关键技术是通过电流位置模型实现定子磁链和转矩的准确估计，所以转子位置观测器必须具有优异的动态及稳态观测精度。 许多学者已经提出了以下多种估算转子位置和速度的方法［3～8］：定子磁链估算法、模型参考自适应法、状态观测法、高频注入法、人工智能估算法等。总的来说，可以将它们分为两类：基于电机模型和基于外界激励的转子位置估算法。前者可简单地通过观测电机反电势来估算转子位置，已广泛应用于隐极电机的中高速无传感器运行。然而，由于凸极PMSM转子存在凸极效应，其转子位置估计算法一
脉振高频电压注入 PMSM 凸极特性实验检测研究 王志新;林环城;陆斌锋;张超 【摘要】The salient characteristic of permanent magnet synchronous motor and the impact of cross-satu-ration effect under different operating states are usually attained by time-consuming finite element analysis or complex experiment. A simple experimental method was proposed to detect salient characteristic of permanent magnet synchronous motor. A pulsating high-frequency voltage signal was injected into a rotor-locked motor, and the salient characteristic was obtained by demodulating the high-frequency current re-sponse with rotating coordinate transformation. An experiment on an interior permanent magnet synchro-nous motor was carried out to verify the proposed method, and the experimental results show that this method can detect the salient characteristic of the motor under different working states accurately and ana-lyze the cross-saturation angle caused by cross-saturation effect.%针对传统方法在研究永磁同步电机不同工作点下的凸极特性及分析其受交叉饱和效应影响的程度时通常采用耗时巨大的有限元仿真分析或复杂繁琐的实验方法的问题，提出了一种较为简便的永磁同步电机凸极特性实验检测方法。依据旋转坐标变换理论，通过向转子锁死的永磁同步电机注入脉振高频电压信号，解调高频响应电流信号，可以快速测得不同工作点下电机的凸极特性。通过对一台内置式永磁同步电机的实验研究验证了该方法的可行性，实验结果表明该方法能够准确检测不同工作状态下电机的凸极特性并分析由交叉饱和效应造成的交叉饱和角的大小。
考虑滑模抖振的永磁同步电机反电势双级观测器 魏海峰;韦汉培;张懿 【摘要】Since position detection and speed estimation of permanent magnet synchronous rotor based on traditional back electromotive force (EMF) sliding mode observer are not accurate because of chattering, a new kind of double-stage back EMF observer is proposed based on traditional primary sliding mode observation. In order to obtain the more smooth and accurate back EMF optimal value, the state observation equation of back EMF is constructed to filter out the high frequency ripple component outputted from primary observer, and Lyapunov stability theory is used to prove the convergence. Meanwhile, the given of observer gain coefficient and low pass cutoff frequency are considered. The observation coefficient is selected according to real-time speed feedback, and this makes it follow the speed change to get the optimal observation. Variable cutoff frequency is designed to reduce phase compensation calculation of low pass filter by processor. Contrast simulation and experiment results verify improved double-stage observer algorithm is effective and practical.%针对传统反电势滑模观测器抖振造成的永磁同步电机转子位置检测、转速估算不准确问题,在传统初级反电势滑模观测基础上,提出一种新型反电势双级观测器.通过构造反电势状态观测方程,滤除初级滑模观测器输出反电势高频纹波分量,以获得更为平滑与准确的反电势最优值,采用Lyapunov稳定性理论证明收敛性.同时,考虑观测器增益系数以及低通截止频率的给定,根据实时转速反馈选取观测系数,使得观测系数跟