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摘要永磁同步电机(PMSM)因其体积小、效率高、能量密度高等特点，已经在工业生产、日常生活、新能源汽车等领域中得到了广泛的应用。
常用的永磁同步电机控制策略都需要实时获知转子的位置，目前一般是通过角度传感器来获得转子位置，但与此同时，带有角度传感器的控制系统往往需要控制系统提供额外的接口电路，而且需要考虑传感器的稳定性和成本等问题，一些工作情况比较恶劣的情况下甚至不允许系统加装传感器。
鉴于这些原因，无位置传感器的PMSM控制成为当前需要解决的一个问题。
本文针对这一问题，研究了基于高频信号注入法的PMSM无位置传感器的控制策略。
本文首先分析了PMSM的基本结构以及数学模型，然后介绍了空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)的理论。
在SVPWM的基础上，介绍了PMSM的矢量控制，即通过坐标变换解耦，把控制系统的励磁分量和转矩分量单独控制。
在矢量控制系统的大框架下，介绍了高频信号注入法的基本工作原理，即在电机的基波电压中注入幅值远低于直流总线电压、频率远高于转子电角度频率的正弦信号，然后对高频信号激励下的定子电流进行采样，通过滤波器获得含有转子位置的高频信号，再通过一系列数学运算解算出转子位置。
在这些理论基础上，建立了旋转高频注入法和脉振高频注入法的MATLAB/Simulink模型，仿真结果表明两种高频注入法都能较好的跟踪转子位置。
设计了以MKV46F256VLH16为核心的PMSM无位置传感器控制系统，并在图形化上位机FreeMASTER平台运行了基于脉振高频注入法的实验，得到了详细的实验波形和数据。
论文最后通过仿真和实验结果，得出结论。
关键词：永磁同步电机 无位置传感器 矢量控制 高频注入法AbstractPermanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) has been widely used in the field of industrial production, daily life, new energy vehicles and so on due to its small volume, high efficiency, high energy density, etc. In general, common control strategy for PMSM needs real-time rotor position, which is usually obtained by rotor position sensor. Meanwhile, control system with position sensor should offer additional interface electric circuit, and the stability and cost of position sensor should be taken into consideration. In addition, position sensor could not be installed in harsh situation. In consideration of these reasons, sensorless control system for PMSM need to be proposed. This paper aims at this issue and studies strategy of sensorless control on PMSM based on high frequency signal injection.This paper analyzes the basic structure and mathematic model of PMSM, and introduces the theory of Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM). B ased on SVPWM, vector control system of PMSM is introduced, which decouples excitation and torque variable using coordinates transform, so two variables could be controlled alone. Basic principle of high frequency signal injection is introduced based on the frame of vector control. Sinusoidal signal is injected into motor basic voltage, whose amplitude is far below dc bus voltage and frequency is far higher than rotor electrical frequency. After sampling stator current which is generated by high frequency injection, high frequency signal with rotor position information could be obtained by filter. Rotor position could be solved with mathematic operation by high frequency signal. Based on these theoretical analysis, MATLAB/Simulink model of rotating high frequency signal injection and fluctuating high signal frequency injection are built, which have superior performance on rotor position trace. At last, a sensorless PMSM control system experiment platform is designed, which uses the MKV46F256VLH16 chip as the core component, and experiment of high frequency signal injection is operated on graphic upper-computer FreeMASTER, and detailed experimental waveforms and data are obtained.Finally, this paper draw a conclusion based on simulation and experiment.Keywords：PMSM; Sensorless; Vector Control; High Frequency Signal Injection目录摘要 (I)Abstract ................................................................................................................................................... I I 目录. (III)第一章绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2国内外发展现状及分析 (3)1.3本文主要研究内容 (5)第二章PMSM的数学模型与控制 (7)2.1永磁同步电机的基本结构 (7)2.2 PMSM的数学模型 (8)2.3 SVPWM算法的原理与实现 (12)2.4 PMSM的矢量控制 (15)2.5本章小结 (17)第三章高频信号注入法的PMSM无位置传感器控制 (18)3.1 高频激励下的PMSM数学模型 (18)3.2 旋转高频电压注入法的PMSM无传感器控制 (20)3.3 脉振高频电压注入法的PMSM无传感器控制 (23)3.3.1 脉振高频电压注入法的基本原理 (23)3.3.2 基于跟踪观测器的转子位置估计方法 (25)3.3.3 基于PLL转子位置估计方法 (26)3.4 转子极性判断 (28)3.5 本章小结 (30)第四章高频注入法的Simulink仿真 (32)4.1 基于SVPWM的FOC控制算法仿真 (32)4.1.1 SVPWM算法仿真模块 (32)4.1.2 基于SVPWM的FOC控制算法仿真 (35)4.2旋转高频电压注入法系统仿真 (37)4.3脉振高频电压注入法系统仿真 (41)4.4 两种高频注入法的比较 (43)4.5 本章小结 (43)第五章PMSM无传感器矢量控制系统设计 (45)5.1 系统硬件结构 (45)5.1.1 主控制芯片 (46)5.1.2 电源电路 (46)5.1.3 IPM功率电路 (48)5.1.4 信号采集电路 (49)5.1.5 通信电路 (51)5.2 系统软件结构 (51)5.2.1 主程序设计 (52)5.2.2 中断子程序设计 (52)5.2.3 SVPWM程序设计 (53)5.2.4 PID程序设计 (54)5.2.5 脉振高频注入法检测转子位置程序设计 (55)5.3 基于高频注入法的无位置传感器永磁同步电机矢量控制系统试验 (56)5.4本章小结 (60)结论与展望 (61)参考文献 (63)攻读硕士学位期间取得的研究成果 (67)致谢 (68)第一章绪论第一章绪论1.1研究背景能源一向是人类生活、工业生产必不可缺的物质根本。
永磁同步电机无位置传感器控制技术研究综述【摘要】永磁同步电机无位置传感器控制技术是当前研究领域的热点之一。
本文通过对该技术进行综述，首先介绍了永磁同步电机控制技术的概况，然后详细分析了无位置传感器控制策略、基于模型的控制方法、基于适应性方法的控制技术以及基于滑模控制的应用。
在展示了这些控制技术的优势和特点的也指出了在实际应用中面临的挑战和需改进的地方。
我们对研究进行了总结，展望了未来的发展趋势，并提出了应对挑战的策略。
通过本文的研究，希望能够为永磁同步电机无位置传感器控制技术的进一步发展提供参考和指导。
【关键词】永磁同步电机，无位置传感器，控制技术，模型控制，适应性方法，滑模控制，研究总结，发展趋势，挑战与应对策略1. 引言1.1 研究背景永磁同步电机是一种具有高效率、高性能和广泛应用的电机类型，其在许多领域中得到了广泛的应用。
传统的永磁同步电机控制方法需要利用位置传感器来获取电机转子的位置信息，这增加了系统的成本和复杂性。
为了克服这一问题，无位置传感器控制技术应运而生。
无位置传感器控制技术通过利用电流和电压的反馈信息，结合适当的控制策略，实现对永磁同步电机的精准控制。
这种技术不仅可以降低系统成本，还可以提高系统的鲁棒性和稳定性。
研究永磁同步电机无位置传感器控制技术具有重要的理论和实际意义。
本文旨在对永磁同步电机无位置传感器控制技术进行综述和总结，系统地介绍这一领域的研究现状和发展趋势，为相关领域的研究人员提供参考和借鉴。
通过对相关文献和案例的分析和总结，为进一步推动永磁同步电机无位置传感器控制技术的发展提供理论支持和实践指导。
1.2 研究目的永磁同步电机无位置传感器控制技术的研究目的是为了探索在没有位置传感器的情况下，如何实现对永磁同步电机的精准控制。
通过研究不依赖位置传感器的控制策略和技术，可以降低系统的成本和复杂度，提高系统的稳定性和可靠性。
研究无位置传感器控制技术还可以拓展永磁同步电机在各种应用中的适用范围，推动新能源车辆、工业制造等领域的发展。
两种高频信号注入法的无传感器运行研究一、本文概述随着电力电子技术的飞速发展，电机控制系统在各个领域的应用日益广泛，尤其在工业自动化、电动汽车、航空航天等领域发挥着重要作用。
电机控制的核心在于对电机运行状态的精确感知和高效控制，而无传感器运行技术则成为近年来研究的热点。
其中，两种高频信号注入法在无传感器运行中表现出显著的潜力和应用价值，因此本文将对这两种方法进行深入研究。
本文将首先介绍无传感器运行技术的基本原理和重要性，阐述高频信号注入法在其中的地位和作用。
随后，本文将详细介绍两种高频信号注入法的具体实现方式，包括其原理、特点、适用范围等，并对这两种方法进行比较分析，探讨其各自的优缺点。
在此基础上，本文将通过理论分析和实验验证，研究两种高频信号注入法在无传感器运行中的应用效果。
具体来说，本文将通过搭建实验平台，对两种高频信号注入法在不同电机类型、不同运行条件下的性能进行测试和评估，以期得出准确、可靠的结论。
本文将总结两种高频信号注入法在无传感器运行中的研究成果，分析其在实际应用中的潜力和挑战，并提出相应的改进建议和发展方向。
本文的研究旨在推动无传感器运行技术的发展，为电机控制系统的智能化、高效化提供有力支持。
二、旋转高频信号注入法研究旋转高频信号注入法是一种广泛应用于无传感器运行中的技术，其基本原理是通过向电机注入高频旋转电压信号，进而通过检测电机的响应来获取电机的位置信息。
这种方法具有较高的位置检测精度和动态性能，因此被广泛应用于各种电机控制系统中。
在旋转高频信号注入法中，注入的高频旋转电压信号会对电机的气隙磁场产生影响，进而在电机中产生高频电流响应。
通过对这个响应进行检测和分析，可以准确地获取电机的转子位置信息。
这种方法不需要额外的传感器，因此可以降低系统的成本和复杂性。
旋转高频信号注入法的实现过程通常包括信号的生成、注入、检测和分析等步骤。
需要生成一个高频旋转电压信号，并将其注入到电机中。
然后，通过检测电机的电流响应，可以获取到电机的转子位置信息。
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，采用外差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世纪80年代以来，现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、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大迈进，使先前困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，使交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是高精度、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要求.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,一般应采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制.采取哪种控制方案,都需要测量转子速度和位置,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,并影响系统可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来各种缺陷,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,实现转子位置自检测.曾有很多文章提出了各种转子位置和速度检测方法,其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敏感,鲁棒性差。
包括零速内任何速度下都能够获精确转子位置信息,一些文献提出了一种新转子位置自检测方法,即转子凸极追踪法.这种方法要求电机具有一定程度凸极性,需要有持续高频激励,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.可以看出,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。
本文基于转子凸极追踪思想,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自检测方法实现技术,利用Mat-lab建立了凸极效应自检测过程仿真模型,给出了高、低速运行下转子位置自检测结果。
1 基于电机空间凸极追踪转子位置检测原理
面贴式外,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子凸极提供可能.
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来表示
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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
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式中：为基波电压矢量幅值。
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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
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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
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静止d-q坐标系中，上式可以进一步转化为
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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
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式中载波电流正、负相序分量幅值分别为：
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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图所示：
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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
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图3 采用外差过程转子位置跟踪观测器
负相序载波电流分量估计值采用了单位幅值表达，估计值对电机参数变化不敏感。
2 内插式永磁同步电机转子位置检测
验证基于空间凸极追踪转子位置检测原理正确性和可行性，笔者对一台内插式永磁同步电机进行转子位置检测过程仿真，采用电流矢量控制实现速度闭环控制，额定运行频率为200HZ，注入高频载波信号频率为1400HZ，供电用SPWM电压源型逆变器，开关频率为14kHZ。
仿真中所用电机参数如下：
额定电压220V
额定电流2A
额定功率400W
额定转速6000r/m in
额定转矩0.64N?m
定子每相电阻 1.51Ω
极对数 2
转动惯量0.244×10-3kg.m2
所选永磁同步电机基波电压额定频率为200HZ，注入电压信号频率取为1500HZ,其幅值取为基波幅值1/10,以避免对电动机运行产生负面影响，PWM逆变器采用SPWM调制，且载波频率为20KHZ，图5所示是电动机额定转速（6000r/min）下运行时提取高频电流矢量空间轨迹。
转子连续转动，转子位置角成为时间函数，此时空间轨迹并非是一般封闭椭圆，但同样表明了依赖于转子位置凸极存。
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图4 静止坐标系中转子不同位置上载波电流矢量轨迹
当转子连续转动时，静止d－q坐标系中载波电流矢量轨迹如图5所示。
转子一直转动，每个载波电流周期载波电流矢量不能形成一个闭合椭圆，但每当转子转动一圈时，载波电流矢量轨迹仍将闭合，且椭圆转动方向与转子转动方向一致。
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图5 静止坐标系中转子连续转动时载波电流矢量轨迹
由上面原理分析中我们可知载波矢量负相序分量是一个长度固定，其角位置包含凸极位置信息。
故利用转子位置跟踪观测器对载波电流矢量负相序分量进行适当处理，就可以获转子空间位置。
考核包括接近零转速内全速范围内转子位置检测有效性，选择转速60和6000r/min进行仿真。
当转速60r/min时，估算与实测转子位置曲线如图6所示，转子估算值与实测值之差几乎为零；而6000r/min时转子实际位置和估算位置情况也与60r/min时差不多。
由上可以看出，运行低速高速，这种自检测方法都能够很好跟踪电机转子实际位置，获很好跟踪精度。
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图6 转子位置测量值与估算值（60r/min）
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图7 转子位置测量值与估算值（6000r/min）
3 结论
本文介绍了一种基于电机空间凸极这一基本现象转子位置自检测方法高频注入法永磁同步电机无传感器控制技术，高频信号注入法出现使电机低速和高速时转子位置都可以一目了然，摆脱了传统基波信息检测、辨识处理方式；但它美中不足就是对凸极较高电机才能过起到不受电机参数变化和鲁棒性等影响，准确跟踪到转子位置；但这种方法将位置传感器由电机内部无传感器调速系统来实现，可以满足高精度电机系统对速度控制和位置控制高要求，有一定市场前景。
