基于高频方波注入的船舶电机无传感器控制研究
基于高频注入法的pmsm无位置传感器控制
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。
注入高频脉振电压的永磁同步电机IF控制方法
注入高频脉振电压的永磁同步电机I/F控制方法作者：邱建琪周成林史涔溦来源：《电机与控制学报》2019年第07期摘;要：针对传统的开环I/F控制运用在低速区时存在的给定电流不可控、电机运行效率低、易失步的问题，提出一种新型的无位置传感器I/F控制方法。
该方法将改进算法的高频脉振电压注入法运用在传统的开环I/F控制中，对采样得到的三相电流进行信号处理以获取所需的轴系夹角信息，经由PI控制器对给定电流的幅值进行闭环调节，同时对给定电流的电角速度进行闭环补偿。
实验结果表明，在该方法下表贴式永磁同步电机可根据负载变化对给定电流幅值和电角速度进行动态调节，使其运行在最大转矩电流比状态，且具有渐进稳定性，提高了电流利用率，增强了电机抗负载扰动能力。
关键词：表贴式永磁同步电机;无位置传感器控制;高频注入法;I/F控制;最大转矩电流比中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：1007-449X（2019）07-0001-08Abstract：For the disadvantages of the traditional open loop I/F control method in the low speed region， such as uncontrollable current， inefficiency and prone to lose synchronism， a new I/F control method of sensorless surface permanent magnet synchronous motor （SPMSM） was proposed. The improved pulsating high frequency voltage injection method was adopted in the traditional open loop I/F control method. The sampled threephase current was processed to obtain the shaft angle， which was used as feedback for PI controller. And the amplitude of the given current was closedloop regulated by PI controller. At the same time， the electrical angular velocity of the given current was compensated. Experimental results indicate that SPMSM adjusts the amplitude and the electrical angular velocity of the given current dynamically when the load changes， and it operates in the asymptotic stable maximum torque per Ampere （MTPA） condition. The utilization ratio of current and the ability of motor to resist load disturbance are improved by the new I/F control method.Keywords：surface permanent magnet synchronous motor （SPMSM）; sensorless control; high frequency injection method; I/F control method; maximum torque per ampere（MTPA）0;引;言永磁同步電机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有功率密度大、功率因数高、调速范围宽、动态响应快的优点，在电动汽车、大容量舰船电力推进系统等高性能交流传动领域中有着巨大的应用前景[1-2]。
一种降低噪声的高频方波注入PMSM无传感器控制
交叉耦合对PMSM高频信号注入无传感器控制影响
G>D4g]VWNIJ *L)=5N KnL;5IJ E(/""#"&M$(/,)*"-+(3'-%+-$$*+-% ,-? T7)"8,)+"- E/,-%/,+1-+2$*3+)4 E/,-%/,+$%%%8$ !/+-,
?@引@言
高频信号注入法作为永磁同步电机 ;(.( 无 位置传感器控制方法的一种 适用于电机零速和低 速时转子位置的估算 该方法通过向电机注入特定 形式的高频信号 一般是电压信号 再提取包含转 子位置信息的高频响应信号 高频电流响应 对这 些有效信号处理后送入观测器进而观测出转子位置 信息 具有低速性能好 鲁棒性高等优点 根据注 入高频信号以及注入方式的不同 高频信号注入法 又可以分为 旋转高频电压注入法 脉振高频电压 注入法和高频方波电压注入法 相比于前两种信号 注入 高频方波电压注入法因为不需要低通滤波器
!' 期
张福星等& 交叉耦合对 ;(.(高频信号注入无传感器控制影响
,#% ,
高频方波电压注入法电机的高频响应电流方程' 包 含交叉耦 合 电 感 的 转 子 位 置 估 算 观 测 信 号 表 达 式% 对 #% 极 #$ 槽内置式永磁同步电机样机" 通过冻结 磁导率法计算电机额定工作点饱和电感" 并与传统 磁链电流法计算电感' 电机实测电感进行比较& 冻 结磁导率计算出的电感更接近实测电感" 进而利用 该方法求解交叉耦合电感" 研究饱和对交叉耦合的 影响% 最后借助 c(Dg:+-模块生成样机的有限元模 型" 在 (?R1?@ a.NQV1NI< 中搭建高频方波电压注入法 控制算法" 构建 c(Dg:+-与 (?R1?@ a.NQV1NI< 的联合 仿真以及实验" 验证电机大负载饱和严重时 ?V轴交 叉耦合效应突出" 高频方波电压注入法转子位置估 算误差增大$ 因此在大负载强耦合时" 基于高频注 入的 ;(.(无传感器控制算法考虑交叉耦合电感十 分有必要$
基于高频方波信号注入的PMSM无传感器低速运行研究
基于高频方波信号注入的PMSM无传感器低速运行研究王莉娜;郝强【摘要】目前,永磁同步电机(PMSM)无位置传感器运行研究受到广泛关注.采用一种基于高频方波信号注入的方法实现PMSM无位置传感器启动以及低速运行.首先详细分析了高频方波信号注入检测原理,然后对注入的高频方波信号以及电流采样模式进行了改进.向估计的两相旋转坐标系注入高频方波电压信号,根据检测到的定子电流并结合注入的电压信号即可获得转子位置,并且利用电机的磁路饱和特性,实现转子初始位置检测.所提出的改进方法不依赖于准确的电机参数,信号处理过程简单易实现.仿真结果验证了该方法的正确性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2015(045)006【总页数】6页(P20-25)【关键词】永磁同步电机;无传感器控制;高频方波注入;Luenberger观测器【作者】王莉娜;郝强【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TM341与传统的PMSM控制策略相比，无位置传感器控制减少了机械式位置速度传感器，更能满足高可靠性、低成本以及高温高湿等恶劣环境运行等特殊要求［1］，具有良好的发展前景，因而已经成为电机控制研究领域热点之一。
目前，PMSM无速度传感器低速运行控制算法主要是基于高频信号注入检测法［2］。
该方法不依赖于电机参数，适合于电机无速度传感器低速运行。
传统的高频信号注入法，向电机定子绕组中注入高频正弦信号，通过检测定子电流中的高频信号成分获取转子位置信息［3］。
这种方法信号处理过程复杂，对硬件电路要求较高，并且需要使用滤波器，会带来时间延迟和幅值畸变，工程实现复杂。
为了解决这一问题，文献［4］提出了用高频方波信号代替高频正弦信号注入到电机中，并给出了几种可以注入的方波类型。
这种注入方法无需对高频电流响应进行解调和滤波，很大程度上简化了信号处理过程。
基于双线性变换的IPMSM无传感器控制
基于双线性变换的IPMSM无传感器控制LI Luping;XU Yongxiang【摘要】内置式永磁同步电机具有效率高、易于弱磁扩速等优点,广泛应用在新能源汽车、航天和家用电器等场合.为了提高电机系统的可靠性,降低其成本,无位置传感器控制技术获得了广泛研究.本文针对内置式永磁同步电机(IPMSM)在低速下反电动势非常小因而难于观测转子转速和位置的问题,使用了一种高频注入方法.在对比分析后选择高频脉振注入法作为激励方法,在滞后dq坐标系45°的测量坐标系中处理高频电流响应,并对比了2种经后向欧拉法和双线性变换法离散化的锁相环环路滤波器的效果,同时采用零极点配置法设计锁相环的压控振荡器.仿真和实验结果表明转子位置误差可以保持在0.1rad以内,可以有效地观测低速时IPMSM的转子位置.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】6页(P25-30)【关键词】内置式永磁同步电机;无位置传感器控制;高频电压注入;锁相环;双线性法【作者】LI Luping;XU Yongxiang【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TM351对于工作在特殊场合的永磁同步电机（PMSM），例如水下电机等，提高其可靠性并降低成本是非常重要的，自此无位置传感器控制技术随之成为研究热点。
目前，主要方法可以分为两类，一类是基于电机基频的反电动势观测法，一般结合扩展卡尔曼滤波（EKF）、模型参考自适应（MRAS）及滑模变结构控制理论（SMO）[1-3]。
另一类则是基于电机凸极特性的算法[4]，电机的凸极特性包括永磁体安装方式造成的机械凸极性及电机d轴磁场增磁造成的饱和凸极性。
电机在中高速运行时反电动势较大，可以建立观测器检测反电动势，从而获得转子的位置和速度信息，因此成为中高速范围内无位置传感器控制的主要方法。
但是电机运行在低速及零速时反电动势较小，很难用观测器准确观测。
电机低速运行时可以利用其凸极特性，通过向电机施加额外的高频激励提取转子位置，如高频脉振电压信号、高频旋转电压信号、高频方波电压信号和高频电流信号注入等[5]，由于电机控制一般采用电压源型逆变器，所以高频脉振及高频旋转电压信号注入成为主流方法。
高频方波注入的永磁电机无传感器控制改进算法
电气传动 2017 年 第 47 卷 第 2 期
高频方波注入的永磁电机无传感器控制 改进算法
薛映霞，陈庆，何凤有 （中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
摘要：为提高高频信号注入的内置式ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ磁同步电机无传感器控制系统的带宽，提出了一种方波信号注入 的无传感器控制改进算法。利用方波信号代替传统的正弦波信号，将注入电压频率提高至逆变器的开关频 率，通过简单的算术运算求取高频载波电流和基频电流，避免了带通滤波器和低通滤波器的使用，简化了信号 处理过程，提高了系统的动态响应速度。仿真和实验结果验证了改进算法的可行性和有效性。
关键词：永磁电机；高频方波注入；无传感器控制；带宽；算术运算 中图分类号：TM341 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.20170203
Improved Algorithm of Sensorless Control of PMSM Based on High Frequency Square
Wave Signal Injection XUE Yingxia，CHEN Qing，HE Fengyou （School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining & Technology，
Xuzhou 221008，Jiangsu，China）
基金项目：国家“十三五”重点研发计划“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”（2016YFC060096） 作者简介：薛映霞（1992-），女，硕士研究生，Email：853869152@
基于方波高频信号注入的PMSM无传感器控制
155中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2017.01 （上）永磁同步电机(PMSM)在构造、稳定性和效率很多方面优势明显，但定向磁场的方式往往是通过在电动机转轴上安装一个传感器，提高系统的成本同时，尤其还影响了系统的稳定性、可靠性和维护性。
基于此，本文提出的方案旨在实现PMSM 的无传感器控制。
永磁同步电机先前的无传感器控制其转子角度估算的方法主要有两种：一种是基于反电动势的估算方法，通过估算反电动势推算出转子的位置；另一类是通过高频信号注入的方法，在永磁同步电机定子绕组中注入特定的高频电压信号，然后检测电机中对应的电流反馈信号来确定转子位置，利用电机的凸极性来实现转子位置的估算，对电机参数的变化不敏感，具有较好的低速性能。
本文提出了一种基于向定向绕组注入方波信号估算转子位置的控制方案，以提高整体的计算性能。
采用高频正弦波方式，因为转子位置很难精确地估计。
随着全新信号估算器的使用，当满足给定要求时，即可以实现无传感器的PMSM 控制。
1 创设PMSM 数学模型（高频的信号激励）永磁同步电机的数学模型如下所示：假定在定子α-β静态参考系下：+ （1）经过采样离散化以后，数学模型变为：基于方波高频信号注入的PMSM 无传感器控制马媛媛（青岛酒店管理职业技术学院，山东 青岛 266100）摘要：本文提出了一种通过向定子绕组注入方波信号估算转子位置的控制方式。
首先建立低转速高频信号激励下的永磁同步电机的数学模型，通过往d 轴方向上注入高频方波电压信号，通过全新的高频信号角度估算器，可以将零速或低速时转子的角度和速度估算出来。
实验结果表明，该方法能准确地估计转子位置，实现无传感器永磁同步电机的控制。
同时相比于传统的注入高频正弦波的方式，方波信号估算器设计更简单，计算量更少。
关键词：永磁同步电机；高频注入；无传感器；矢量控制中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2018）01（上）-0155-02设置纵横向肋，采取分别加工的方法，进行现场拼装作业。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于高频方波注入的船舶电机无传感器控制研究
近年来，随着船舶电气化的发展，电机的无传感器控制逐渐成为了一个研究热点。
传统的电机控制需要安装传感器来获取电机状态信息，这样会增加电机控制系统的复杂性和成本。
而无传感器控制技术采用高频方波注入的方法来实现对电机控制的精确控制，不仅提高了电机控制的精度，还降低了系统成本。
高频方波注入技术是基于电机自身感应电动势的测量，并通过高频信号提取出电机的角速度和位置信息。
该技术可以将高频电压方波信号注入到电机的三相绕组中，通过注入的信号，可以使绕组中产生高频瞬时电动势。
瞬时电动势的频率是电机转速的数倍，可以通过对注入信号和电机绕组电压的差值计算出电机的角速度和位置信息。
通过高频方波注入技术，可以实现电机的无传感器控制。
当电机的负载瞬间发生变化时，高频方波注入技术可以迅速地响应，提供准确的测量和控制信息，从而实现对电机功率的精确控制。
此外，该技术还具有抗干扰能力强、系统可靠性高的特点。
目前，高频方波注入技术已经被应用在许多船舶电机控制系统中。
例如，某大型海洋工程船舶的主推进电机控制系统，采用了高频方波注入技术实现了无传感器控制。
该船舶电机控制系统采用了双闭环控制结构，其中外环控制电机的转速，内环控制电机的转矩。
通过高频方波注入技术提供的电机状态信息，控制系统可以实现对电机的精确控制，从而大大提高了船舶的运行效率和可靠性。
总之，考虑到船舶电机控制的精准性和成本问题，采用高频方波注入技术实现电机的无传感器控制已经成为了一个重要的研究方向。
这一技术不仅可以提高电机控制的精度，还可以降低系统成本，对于船舶电气化的发展具有重要的意义。
为了更好地解析船舶电机无传感器控制技术的实际应用效果，以下是一些相关数据和分析：
首先，据统计，采用高频方波注入技术实现电机无传感器控制的系统可靠性非常高，故障率不到0.1%。
船舶作为一个风险较高的行业，控制系统的可靠性和稳定性至关重要，因此这一数据非常令人满意。
其次，采用高频方波注入技术的电机控制系统能够大大提高船舶电机控制的精准性，进而提高了船舶的运行效率。
通过对某些大型船舶进行实际应用，发现不仅可以实现对电机主要参数（如转速、转矩）的精确控制，还可以完美应用于一些实时调整的功能，例如发电机转矩调节、备用电源控制等。
从运行数据来看，相对于传统的传感器控制技术，通过高频方波注入技术实现电机的无传感器控制，系统的稳定性更高，运行效率和能耗也得到了大幅度的提高，整体效益十分显著。
最后，我们来看一下采用高频方波注入技术的电机控制系统的成本问题。
相较于传统的传感器控制技术，采用高频方波注入技术显然可以大大降低系统成本。
主要表现在两个方面：一是取消了复杂的传感器安装和调试工作，二是该技术操作便捷，易于维护和管理，不仅可以为船舶企业降低日常运营成本，还能够有效地减少额外的人工维护和设备维修费用。
综上所述，通过分析数据可知，采用高频方波注入技术实现电机的无传感器控制能够大大提高船舶电机控制的精准性。
具有良好的稳定性和可靠性，且具有明显的节能和成本优势，因此在船舶电气化的进程中，该技术具有重要的意义。
近年来，在数字化和智能化的推动下，越来越多的企业开始采用物联网技术。
其中，汽车行业的物联网应用很受关注。
以下是一则实际的案例分析和总结：
Case Study
一款自主研发的智能卡车，可以实现货物的自动化安全运输，并在整个运输过程中实时监测车辆状况和货物信息。
在车辆发现异常或出现故障时，自动发送警报信息。
该卡车搭载了多种物联网设备，包括GPS、惯性导航、摄像头、温度传感器、气压传感器等，将这些设备通过互联网连接并集成，形成了一个智能解决方案，可以全面做好货物的运输工作。
结合上述案例，以下是该案例物联网应用的优点和总结：
1. 提高运输的安全性和准确性：通过卡车上安装的多种传感器及设备，实时监测货物和车辆状态，包括速度、温度、湿度及其它因素，确保货物的安全，同时减少因运输过程中的事故和故障可能造成的经济损失。
2. 增强运输的智能化和自动化程度：针对卡车上安装的多种设备，运用物联网技术把它们有机集成起来，形成一个智能化的解决方案，减少了负责控制车辆状态的人工干预，提高了运输
效率。
3. 明显的经济效益：卡车上的各种装置不仅提高了货物安全和运输效率，同时还可以大幅度降低企业运营成本，包括减少人员费用、维护费用和车辆油耗等。
4. 商业化应用前景广阔：该智能卡车是一项值得推广的物联网技术，可以扩展到该领域的其他行业，包括公路、铁路和海运等等，其在智能运输的提高上具有有力作用。
结论
总之，物联网技术在汽车物流行业的应用，不仅可以提高货物的运输安全性和便捷性，而且具有很大的经济效益和发展前景。
在物流、制造和智能出行等方面，未来物联网应用的发展将越来越广泛，汽车物流也将更加智能化，人工运输将被大规模替代，这是物联网技术为汽车物流行业发展所带来的机遇。