基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制

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。