脉振高频信号注入法误差分析
hfi脉振方波高频注入 -回复
hfi脉振方波高频注入-回复脉振方波高频注入是一种电子技术中常见的实验方法。
它通过使用高频信号进行注入，可以在电路中观察到响应和相应的波形变化。
本文将逐步介绍脉振方波高频注入的原理、实验过程和相关应用。
一、脉振方波高频注入的原理脉振方波高频注入是一种将高频信号注入到电路中的方法，它可以产生一些有趣和有用的电路响应。
它的基本原理可以通过以下步骤进行说明：1. 首先，我们需要一个高频信号发生器，它可以产生一定频率的方波信号。
这个信号发生器能够输出一个可调节的频率范围，通常在几kHz到几MHz 之间。
2. 接下来，我们需要将高频信号发生器的输出和目标电路连接起来。
这可以通过使用一根电缆或者一对探针实现。
重要的是要确保信号的输出和电路的输入相连。
3. 一旦信号源和目标电路连接好了，我们就可以打开高频信号源，并调节频率和幅度，使其适应目标电路的要求。
4. 当信号源开始工作时，它会不断地向目标电路注入高频方波信号。
目标电路会对这个信号作出响应，并在输出端产生一些特定的波形。
二、脉振方波高频注入的实验过程下面我们将详细介绍脉振方波高频注入的实验过程。
在实际操作中，我们可以按照以下步骤进行：1. 准备好所需的实验设备和器材。
除了高频信号源之外，还应准备好目标电路和一些必要的测量工具，例如示波器和多用表等。
2. 将高频信号源和目标电路连接在一起。
这可以通过将信号源的输出端与目标电路的输入端连接来实现。
可以使用电缆或探针等工具进行连接。
3. 打开高频信号源，并设置合适的频率和幅度。
这可以根据目标电路的要求进行调整。
通常，可以逐渐提高频率和幅度，以观察目标电路的响应。
4. 使用示波器等工具来观察和记录目标电路在注入高频信号后的响应。
可以通过连接示波器的探针到目标电路的输出端来实现。
5. 根据目标电路的特性和实验结果，可以对高频信号的频率和幅度进行进一步的调整。
这样可以更好地观察到目标电路的响应和相关的波形变化。
三、脉振方波高频注入的应用脉振方波高频注入在电子工程中有着广泛的应用。
电机车IPMSM高频脉振电压注入法转子位置检测
电机车IPMSM高频脉振电压注入法转子位置检测∗董晨露;陈涛【摘要】As the mine electric locomotive traction motor, it is vital to obtain the permanent magnet synchronous motor rotor position information accurately in the control process. Inject the high frequency voltage signal into motor, the rotor angle and speedestimation was estimated by using Luenberger observer, realized the sensorlessoperation of system, and verified by simulation. The high-frequency pulsating voltage injection method used in the actual mining electric locomotive controlsystem,through field test and subsequent operation proved its accuracy and feasibility.%永磁同步电机作为矿用电机车的牵引电机，在进行控制时，准确获得其转子位置信息至关重要。
将高频电压信号注入电机，利用龙贝格观测器估计转子角度和转速，实现了永磁同步电机的无传感器控制，并通过仿真进行验证。
将高频脉振电压注入法运用于实际的矿用电机车的控制系统，通过现场试验和后期运行证明了其准确性和可行性。
【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】5页(P67-71)【关键词】矿用电机车;永磁同步电机;高频脉振电压注入法【作者】董晨露;陈涛【作者单位】安徽理工大学，安徽淮南 232001;淮南矿业集团，安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TM306Key words： mine electric locomotive; permanent magnet synchronous mo tor; high frequency pulsating voltage injection内嵌式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)由于其结构简单、调速范围广、过载能力强等特点，被广泛应用于煤矿电机车的牵引工作中。
基于虚拟脉振高频注入法的永磁电机初始位置检测
基于虚拟脉振高频注入法的永磁电机初始位置检测吕晓源;刘刚;毛琨;陈宝栋【摘要】对传统脉振高频注入法进行了分析,并在传统脉振高频注入法基础上,加入虚拟高频旋转坐标,对传统脉振高频注入法进行改进,提出基于虚拟脉振高频注入法的永磁同步电机位置检测方法.该方法和传统脉振高频注入法相比,不需要PI调节,工程实现简单,并且解决了传统脉振高频注入法的过零点问题.通过仿真和工程实验,验证了该方法的正确性和有效性.%Nowadays,the sensorless position detection method of permanent magnet synchronous are mainly divided into two types:one is based on the fundamental wave detection;the other is based on the saliency effects.This paper is mainly based on the saliency effects.It analyses the traditional high-frequency pulsating injection method and improves traditional method by adding a virtual high-frequency rotating coordinate.A position detection method of permanent magnet synchronous motor based on virtual pulse high frequency injection is pared with traditional pulsating high-frequency injection method,this method does not require PI regulator,which can be achieved by project easily.At the same time,this method solves part of zero-corssing problems of traditional pulsating injection method.The method is verified by simulation and experimental test.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)023【总页数】8页(P34-41)【关键词】初始位置检测;永磁同步电机;高频注入法;虚拟高频旋转坐标【作者】吕晓源;刘刚;毛琨;陈宝栋【作者单位】北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室北京 100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室北京 100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TM301永磁同步电机具有体积小、重量轻、能量密度高、运行可靠性高等优点，在众多领域得到了广泛应用，但其驱动系统需要实时检测转子位置。
基于高频注入的PMSM无传感器控制的误差分析
Ｌ Ｉ Ｈｕ ａ—ｙ ａ ｎ ｇ ， ⅣＧ Ｔ ａ ｏ ，， Ｊ ， Ⅳ Ｈｕ ａ ｎ— ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ 一 ，ＧＯＮＧ Ｌ ｉ — ｍｉ ｎ ｇ。 ＣＨ ＥⅣ ｎ— ｔ ａ ｏ ，ＺＨ Ｕ Ｚｉ —ｑ ｉ ａ ｎ ｇ
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（ １ ． Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ２ ７ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｗｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ （ Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ）Ｒ ＆ Ｄ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ，Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ １ ２ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
中图分类号 ： Ｔ Ｍ３ ５ １ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ４ — ７ ０ １ ８ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ — ０ ０ ６ ４ — ０ ７
Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ Ｈ ｉ ｇ ｈ — — Ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ Ｃａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ Ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ Ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ａ ｌ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｙ ，ａ ｈ ｉ ｇ ｈ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｊ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ａ —
基于高频电压信号注入与改进卡尔曼滤波的永磁同步电动机控制系统设计
脉振高频电压信号注入法原理在估计的同步旋转坐标系的轴上注入高当注入的电压信号频率远远大于电动机的转动角频率，PMSM就是一个的R-L电路模型，则电压方程为：在上式中，r di、r qi和L di、L qi表示定子电阻、方程为：其中、分别为直轴、定义转子位置估计误差角为：那么，在中，有定义平均阻抗，半差，得到：因此，在同步旋转坐标系中，若将高频电压信号只注入估计的轴，即，。
则此时的高频电流：对轴上的高频电流分量以得到转子位置估计器的输入信号[4]。
通常对轴上的高频电流分量进行相应处理，得到转子位置输入信号，处理过程为：————————————————————课题项目:2020年度河北省高等学校科学研究项目：基于高频电压信号注入的永磁同步电动机电梯控制系统设计，转子位置估计器可以由PI 调节控制实现，但是对调节器的参数非常敏感，整定调节器的参数是实现该方法的关键，应用卡尔曼滤波器对位置误差信号处理可以避免PI 调节方法的缺点。
1.2卡尔曼滤波法提取转子位置、速度信息原理将卡尔曼滤波器作为一个观测器，离散模型如下式所示：信号经过滤波器分析处理，得到位置误差信号：在系统中选取：其中T 为采样周期。
2系统实验结果及分析基于对原理的分析，Matlab 建立仿真模型如图1所示。
电机仿真实验控制方案采用i d =0的速度、电流双闭环矢量控制。
电机参数为：定子电阻R S =0.618Ω，直轴电感L d =0.007418H ，交轴电感L q =0.012285H ，转子磁链ψf =0.1128Wb ，转动惯量J=5.59×10-4kg ·m 2，极对数P n =2。
仿真实验如下所示：实验给定初始速度为n =200r/min ，0.05s 400r/min 。
（图2）电动机启动阶段，转子位置估算误差较大，一个周期后，转子估算位置几乎与转子实际位置一致，可见，这种算法可以较好的估算转子位置，电动机起始估算速度和速度突变时的估算速度有误差，单随着系统自动调节，估算速度曲线几乎与真实速度曲线重合，说明速度这种算法可以很好的实现速度估算。
脉振高频信号注入永磁同步电机控制算法研究
Abstract：By adopting the high frequency pulse injection method, a research has been conducted on the sensorless control of permanent magnet synchronous motors. The method of quadratic harmonics is used to identify the rotor polarity in order to improve the convergence of the algorithm. Based on Matlab/Simulink, a simulation test has been carried out of the high frequency injection method of PMSM, double loop speed and current closed loop control. The results show that the rotor position of PMSM with small saliency ratio is difficult to demodulate, with a great jitter in the torque. Therefore, when the pulse frequency injection method is used, the PMSM with higher saliency ratio will be able to achieve a better control result.
优化脉振高频信号注入的PMSM无位置传感器控制方法
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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
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）。
电感交叉耦合对高频注入法的影响及补偿方法
2020年第48卷第10期T理论研究heory Research 王心坚等 电感交叉耦合对高频注入法的影响及补偿方法7 收稿日期:2019-12-05电感交叉耦合对高频注入法的影响及补偿方法王心坚,马瑞盛,黄道锦(同济大学汽车学院,上海201804)摘 要:高频注入法是一种永磁同步电机低速无位置传感器控制方法,在带载工况中,由于电机电感交叉耦合效应的影响,其估计位置与实际位置存在一定偏差㊂根据电机数学模型推导偏差与电机电感的关系,提出一种新的补偿信号的方法来减小误差,并通过仿真验证了该补偿方法的正确性㊂关键词:永磁同步电机;电感交叉耦合;高频注入法;误差补偿中图分类号:TM341;TM351 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2020)10-0007-04Influence of Inductance Cross Coupling on High Frequency Injection and Its CompensationWANG Xin -jian ,MA Rui -sheng ,HUANG Dao -jin(School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract :The high-frequency injection is a commonly used sensorless control method for permanent magnet synchro⁃nous motor in low speed.In the loaded condition,due to the influence of the motor inductance cross coupling,there are some errors between the estimated position and the actual position.The relationship between the errors and the inductance of the motor was calculated based on the mathematical model,a novel method through compensation signal was introducedto minimize the errors,and the correctness of the compensation method was verified by simulation.Key words :permanent magnet synchronous motor (PMSM),inductance cross coupling,high frequency injection,er⁃ror compensation0 引 言永磁同步电机由于其功率密度大㊁效率高等优点,近年来得到了广泛的应用㊂永磁同步电机的高效控制需要准确获取电机转子位置信号,然而,安装位置传感器成本较高且占用了较大体积㊂无位置传感器控制的应用能解决这一问题㊂常用的无位置传感器控制方法有基于电机反电动势和基于电机凸极效应两种形式,由于电机在低速以及零速时反电动势较小,低的信噪比使得位置信息不明显,所以常常使用辅助信号注入,利用电机凸极效应获取位置信息的方法㊂脉振高频注入法是低速无位置传感器控制方法中的一种,它通过在估计d ^轴上注入高频电压,根据估计q ^轴反馈电流中的高频信号提取转子位置信息㊂脉振高频注入法在低速带载的工况下会产生一定的位置估计误差,有学者提出这种误差是由于电感交叉耦合效应造成的[1-2]㊂针对这种情况,文献[1]采用有限元法获取电机交直轴增量自感及互感,从而计算误差大小㊂文献[3]采用预装在电机上的位置传感器与估计位置比较获得误差值㊂针对误差的补偿方法,大多数文献都是在估计结果中直接加上误差量进行补偿[1,3-4],然而这种方法由于交叉耦合带来的磁凸极偏移依然存在,无法得到良好的补偿效果;文献[5-6]在PI 调节器前增加补偿信号,但是这种方法计算比较繁琐㊂本文针对这一点,提出一种新的前馈补偿方法,对交叉耦合带来的位置估计误差进行补偿,实现了较好的补偿精度㊂对一款48槽4对极永磁同步电机进行仿真,初步证明了该误差补偿方法的准确性㊂1 传统脉振高频注入法原理脉振高频电压注入法是通过在估计的同步旋转坐标系d ^轴上注入脉振高频电压,提取q ^轴上的电流响应进行分析,获取转子位置信号,其框架图如图1所示㊂图1 传统脉振高频注入法框架图永磁同步电机在转子坐标系下的电压方程:u d =R d i d +L d d i d d t-ωr L q i qu q =R q i q +L q d i q d t+ωr L d i d +ωr ψüþýïïïïf (1)T理论研究heory Research 2020年第48卷第10期王心坚等 电感交叉耦合对高频注入法的影响及补偿方法8 电机的两相静止坐标系㊁实际旋转坐标系以及估计旋转坐标系的关系如图2所示㊂定义转子实际角度为θ,估计转子角度为θ^,两者的差值为Δθ㊂图2 高频注入法坐标分析当估计角度与实际角度存在偏差时,根据坐标变换,电机实际旋转坐标系以及估计旋转坐标系下的电压㊁电流换算:u d u éëêêùûúúq = cos(Δθ)sin(Δθ)-sin(Δθ)cos(Δθéëêêùûúú)u ^d u ^éëêêùûúúq (2)i d i éëêêùûúúq = cos(Δθ)sin(Δθ)-sin(Δθ)cos(Δθéëêêùûúú)i ^d i ^éëêêêùûúúúq (3) 假设注入到估计的同步旋转坐标系的高频电压信号如下:u ^d h u ^q éëêêùûúúh =u h cos(ωh t )éëêêùûúú0(4) 在低速环境下,电机反电动势很小,且高频下电阻引起的压降远小于电感,可忽略㊂高频电压模型可以表达:u d h u q éëêêùûúúh =j ωh L d 00j ωh L éëêêùûúúq i d h i q éëêêùûúúh (5) 转换到估计旋转坐标系,高频电流响应可以表达:i ^d h i ^q éëêêùûúúh =L q cos 2(Δθ)+L d sin 2(Δθ)L q sin(Δθ)cos(Δθ)-L d cos(Δθ)sin(Δθéëêêùûúú)㊃u h sin(ωh t )ωh L d L q(6)定义L =(L d +L q )/2,ΔL =(L d -L q )/2,代入上式可得:i ^d h i ^q éëêêêùûúúúh =u h sin(ωh t )ωh(L 2-ΔL 2)L -ΔL cos(2Δθ)-ΔL sin(2Δθéëêêùûúú)(7) 可以看出,在估计旋转坐标系高频电流响应中含有位置估计误差Δθ,常用的方法是利用带通滤波器提取q ^轴电流中的高频信号i ^q h ㊂高频信号经过正弦信号调制后进行低通滤波处理,可以得到以下结果:f (Δθ)=LPF[i ^q h ×sin(ωh t )]= -u h ΔL2ωh (L 2-ΔL 2)sin(2Δθ)(8) 当角度误差较小时,可进行线性化,得:f (Δθ)=-u h ΔLωh (L 2-ΔL 2)Δθ(9) 将该信号经过PI 控制器调节,使其收敛到零,可以使估计旋转坐标系贴合实际旋转坐标系,实现转子位置的正确估计㊂2 低速无位置传感器电感误差分析上述高频电压注入法分析将永磁同步电机简化为线性模型,交直轴相互独立,然而随着电机功率密度提升,在设计电机时常常将电机工作点设置在趋于饱和的位置㊂电机磁路饱和时,交直轴存在共磁路的位置,会产生交叉耦合效应,反映在交直轴互感上㊂考虑交叉耦合效应时,电感矩阵可以表达:L =L d L dq L dq L éëêêùûúúq (10) 根据该电感矩阵进行计算,高频电压注入下的交轴电流响应:i ^q h =u h sin(ωh t )2ωh (L q -L d )sin(2Δθ)-2L dq cos(2Δθ)L d L q -L 2dq =u h sin(ωh t )2ωh(2L dq )2+(L q -L d )2L d L q -L 2dqsin(2Δθ-φm )(11)式中:φm =arctan(2L dqL q -L d)㊂ 可以发现,因互感的存在,高频电压注入下的位置估计会产生12φm 的偏差,且这个偏差随互感的增大而增大㊂因此,在低速大转矩工况,交叉耦合效应会带来较大的位置估计误差,严重时会造成起动失败,其补偿十分重要㊂3 电机增量电感提取由前面分析可知,无位置传感器估计误差与电机电感有关,误差的计算是准确获取电感信号㊂如图3所示,对于电机饱和特性的描述,可采用增量电感和视在电感两种形式㊂L App 为视在电感,表示在工作点A 时,ψ与i 的比例关系;L Inc 为增量电感,表示在工作点A 时,ψ与i 的导数关系㊂高频注入法检测的是增量电感,下面通过有限元法进行电感提取㊂图3 增量电感与视在电感关系图 2020年第48卷第10期T理论研究heory Research 王心坚等 电感交叉耦合对高频注入法的影响及补偿方法9 实验电机为一台48槽4对极内置 V 一”型永磁同步电机㊂图4 电机二位平面图利用Ansoft Maxwell 软件进行分析处理,按照实际尺寸构建电机二维模型,针对一个电角度,进行空载以及带载两种工况的分析㊂根据增量电感的定义,电感提取的过程如下式:L dd =[ψd (i d +Δi d )-ψd (i d )]/Δi d L qq =[ψq (i q +Δi q )-ψq (i q )]/Δi q L dq =[ψd (i q +Δi q )-ψd (i q )]/Δi q L qd =[ψq (i d +Δi d )-ψq (i d )]/Δi üþýïïïïïd (12) 电感提取结果如图5所示㊂(a)单周期交轴电感分布(b)单周期电机直轴电感分布(c)单周期交直轴互感分布图5 空载㊁带载工况下的电机电感互感由仿真可知,电机带载时,交轴和直轴电感下降,交轴和直轴互感上升,因此可以解释带载时估计误差的增加㊂4 误差补偿方法对于误差的补偿,本文提出采用增加前馈补偿信号的方式进行误差补偿,使得PI 调节器后能得到较为准确的结果㊂图6 改进误差补偿框架图设增加的补偿扰动信号:i ^c =A c cos(ωh t +θc )(13) 根据式(11)可知,带通滤波后的反馈电流信号:i ^q h=u hsin(ωh t )2ωh(2L dq )2+(L q -L d )2L d L q -L 2dqsin(2Δθ-φm )(14) 经过正弦调制后,反馈信号加上补偿信号:(i ^q h +i ^c )sin(ωh t )=1-cos(2ωh t )2u h2ωh ㊃ (2L dq )2+(L q -L d )2L d L q -L 2dq ㊃ sin(2Δθ-φm )+ A c [sin(2ωh t )2cos θc - 1-cos(2ωh t )2sin θc ](15) 经过低通滤波器,可得误差信号:f (Δθ)=LPF[(i ^q h +i ^c )×sin(ωh t )]= u h 4ωh (2L dq )2+(L q -L d )2L d L q -L 2dq sin(2Δθ-φm )-12A csin(θc ) (16)因此,补偿扰动的幅值㊁相位:A c =u h 2ωh (2L dq )2+(L q -L d )2L d L q -L 2dqθc =-φm =-arctan(2L dqL q -L düþýïïïï)(17) 当Δθ趋向于零时,反馈信号值趋向于零,因此可以得到正确的位置估计,补偿了交叉耦合带来的位置估计误差㊂5 仿真分析为了验证本文误差补偿方法的有效性,本文设计仿真模型进行分析㊂控制开关频率为10kHz,注入信号频率为1kHz㊂仿真模拟电机运行转速为3rad /s,对电机进行转矩控制,分别针对空载工况和带载工况进行分析㊂空载时,仿真结果如图7㊁图8所示㊂图7 空载估算角度与实际角度图8 空载位置估计误差 由仿真可知,空载时使用传统脉振高频注入法T理论研究heory Research 2020年第48卷第10期王心坚等 电感交叉耦合对高频注入法的影响及补偿方法10 具有较高的位置估计精度,这是由于空载时交叉耦合现象不明显,d ,q 轴互感较小㊂带载时,仍使用传统脉振高频注入法,结果如图9~图10所示㊂图9 带载估算角度与实际角度图10 带载位置估计误差 由仿真可知,当电机带载运行时,出现了8°左右的位置估计误差,与式(11)计算结果相符㊂根据本文的补偿方法,根据式(17)设计补偿信号进行误差补偿,得到如图11㊁图12所示的仿真结果㊂图11 补偿后带载估算角度与实际角度图12 补偿后带载位置估计误差 可见,该补偿方法能较好地提高位置精度,使得位置估计误差在1°以内㊂由式(17)可知,补偿信号幅值与高频注入电压幅值和频率有关,为验证补偿公式的准确性,将注入电压幅值增大一倍,三相电流响应如图13所示㊂(a)原三相电流局部放大(b)增大注入电压后电流局部放大图13 改变注入电压幅值后的三相电流响应在原补偿信号下,误差角度如图14所示㊂图14 改变注入电压幅值后带载位置估计误差同样,将补偿信号幅值增大一倍,其误差角度如图15所示㊂图15 改变补偿信号幅值后带载位置估计误差仿真验证了补偿信号幅值与注入电压幅值的正比关系㊂更改注入电压频率也可得到类似结果,因此可以证明补偿信号公式的准确性㊂6 结 语本文研究了永磁同步电机脉振高频注入法由电机交叉耦合效应带来的位置估计误差,并针对该误差,提出采用增加补偿信号的方法进行补偿㊂仿真结果表明,该方法能有效降低电机由交叉耦合带来的位置估计误差,从而提高电机无位置传感器控制位置估计精度㊂参考文献[1] ZHU Z Q,LI Y,HOWE D,et pensation for rotor positionestimation error due to cross-coupling magnetic saturation in signal injection based sensorless control of PM brushless AC motors[C]//2007IEEE International Electric Machines &Drives Con⁃ference.Antalya,2007:208-213.[2] GUGLIELMI P,PASTORELLI M,VAGATI A.Impact of cross-saturation in sensorless control of transverse -laminated synchro⁃nous reluctance motors[J].IEEE Transactions on Industrial Elec⁃tronics,2006,53(2):429-439.[3] ZINE W,IDKHAJINE L,KOBYLANSKI L,et pensationof cross-saturation effects on IPMSM sensorless control -applica⁃tion to electric vehicle[C]//IECON 2016-42nd Annual Confer⁃ence of the IEEE Industrial Electronics Society.Florence,2016:6675-6680.[4] 刘家曦,李立毅,杜鹏程.考虑磁场交叉耦合的内嵌式永磁同步电机初始位置检测技术[J].电工技术学报,2013,28(7):32-38.[5] 陈小玲,唐鹏,戴跃洪.高频脉振电压注入法的转子位置估计误差补偿[J].微特电机,2019,47(5):21-24.[6] LI C,WANG G,ZHANG G,et al.Eliminating position estima⁃tion error caused by cross-coupling effect in saliency-based sen⁃sorless control of SynRMs[C]//201821st International Confer⁃ence on Electrical Machines and Systems (ICEMS).Jeju,2018:1600-1605.作者简介:王心坚(1972 ),男,博士,讲师,研究方向为新能源汽车电机控制㊂。
应用特征谐波消除改进脉振高频电压注入法
应用特征谐波消除改进脉振高频电压注入法于帅;章玮【摘要】针对永磁同步电机无位置传感器矢量控制中传统脉振高频电压注入法存在的估算角度滞后、与中高速无位置传感器控制技术切换困难等问题提出改进方法。
引入特征谐波消除的方式取代低通滤波器，同时充分考虑定子电阻对位置估算的影响，修改误差矫正项以减小估算误差，并给出了改进后的脉振高频电压注入法的完整实现方式。
应用特征谐波消除的方式得到误差校正项，估算的转子位置更加精确，用特征谐波消除的方式去除高频电流信号，不会引起电流畸变和相位滞后。
用改进算法得到的转子位置及转速作为反馈对电机进行闭环控制，可以改善电机低速下的动态特性。
仿真分析和实验结果证明了该方法的有效性。
%The traditional pulsating high-frequency voltage injection ( PHFVI) method has problems such as estimated rotor position lag and difficulty in switching to higher speed region .To solve these problems , the characteristic harmonic elimination (CHE) method is applied to replace the traditional low pass fil -ter.Besides,taking the stator resistance into consideration ,a modified estimation error correction term was proposed to reduce the elimination error .It resulted in more accurate estimated position ,less current dis-tortion and less phase lag .Using the estimated position and speed as feedbacks in speed regulation loop can improve low speed dynamic performance of the motor .The complete scheme of the proposed method was given.Simulation and experimental results are demonstrated in detailto verify the feasibility and ad -vantages of the proposed scheme .【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2016(020)012【总页数】8页(P17-24)【关键词】永磁同步电机;无位置传感器;脉振高频电压注入;重构;特征谐波消除【作者】于帅;章玮【作者单位】浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TM351在永磁同步电机的矢量控制中，转子的位置和转速信息较为重要，无位置传感器控制是用估算转子位置和转速的方式取代机械的转子位置传感器，得到了越来越广泛的应用。
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& cos V dh & V qh sin & cos I dh & I qh sin
& sin V dh & cos Vqh & sin I dh & cos I qh
2015 年 3 月 第 30 卷第 6 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.30 Mar.
No. 6 2015
脉振高频信号注入法误差分析
刘海东 1,周波 1,郭鸿浩 1,刘兵 1,李洁 1,徐学海 2,时仁帅
1. 江苏省新能源发电与电能变换重点实验室（南京航空航天大学） 术股份有限公司 摘要 深圳 518055 南京
Error Analysis of High Frequency Pulsating Signal Injection Method
Liu Haidong1 ,Zhou Bo1 , Guo Honghao 1,Liu Bing 1 ,Li Jie 1,Xu Xuehai 2,Shi Renshuai 2 1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China;2. Shenzhen V&T technologies Co., Ltd China Shenzhen 518055
y12 y21 y22 Lq Ld
Lq Ld j2h Ld Lq
sin 2 cos 2
（ 7）
Lq Ld j2h Ld Lq
j2h Ld Lq
（ 8）
为了简化后续运算与推导，将式（ 1 ）写成如 下相量形式
& 1 jh Ld 0 I dh & I 0 1 jh Lq qh
y11
（ 5）
型可等效为式（ 1 ）所示的纯电感模型
0 idh vdh Ld p v 0 L q p iqh qh
Lq Ld j2h Ld Lq
（ 1）
Lq Ld j2h Ld Lq
cos 2
（ 6）
式中
v dh， v qh ——dq 轴高频电压； i dh ， i qh——dq 轴高频电流； L d， L q——dq 轴电感； p —— 微分算子。
& V dh & V qh
脉振高频信号注入法原理是在估计转子位置 ˆ vh Vh cos h t （对应 d 轴注入脉振高频电压 vdh
& ˆ 轴脉振高频 Vh Vh e j0 ）后检测 q 相量形式为 V dh
（ 2）
各角度与坐标轴对应关系如图 1 所示。
40
电 工 技 术 学 报
2015 年 3 月
& 在 r e jπ 2 方向投影即可得到与位置估计 将I qh
误差 有关的信号
& f Re I qh r LVh sin 2 2h Ld Lq
可 vqh
表示为 （ 10 ）
ˆ p1 vdh η E ˆ p2 vqh
式中， *表示共轭； Re[ ]表示取实部。 在实际操作中获得 f 的方式为：通过电流 传感器检测电机相电流，之后通过坐标变换得到 ˆ ˆ 轴电流，将 q ˆ 轴电流 iq 通过选通频率为 f h 的带 dq
[1-4] 。该方法简单易行、快
速性好、具有较高的精度且无需精确电机参数，已 经引起了相关领域研究人员的广泛关注
[5] 。
进行控制或补偿；另一种思路是将脉振高频信号注 入法与自适应控制方法或滑模观测器等现代控制理 论相结合 [13-16] 。这些研究工作在一定程度上解释了
基金：高等学校博士学科点专项科研基金（优先发展领域 收稿日期 :2014-10-20
图1 Fig.1 估计位置与实际位置 Real and estimated positions
高频电压、电流在转子实际位置 dq 坐标系下 分 ˆˆ 坐 & 、V & 和I & 、I & ，在转子估计位置 dq 别为 V dh dh qh qh
& & & & 、V 和I 、I 。由于 dq 坐标 标系下分别为 V dh dh qh qh
ˆ 4π ˆ 2 sin ˆ sin ˆ 2π p2 sin （ 13 ） 3 3 3
， iqh 与 通滤波器（ BPF ）后得到高频电流 iqh 2sin h t 相乘后通过低通滤波器（ LPF ）即得到 f 。
（ 11 ）
式中
E —— 直流母线电压；
—— 逆变器开关向量， η (a b c )T ；
ˆ 、p ˆ 为坐标变换向量，表达式为 p1 2
[6-12] ，在此基础上
取转子的位置和速度信号。机械位置传感器的存在 增加了系统的复杂性和成本，降低了系统的可靠性， 同时也限制了永磁同步电机在一些特殊场合的应用。 基于脉振高频电压信号注入法的无位置传感器控制 技术通过在估计转子位置注入脉振高频电压信号， 检测其交轴电流响应，利用电机的结构凸极或饱和 凸极特性估计转子位置
ˆ 4π ˆ 2 cos ˆ cos ˆ 2π p1 cos （ 12 ） 3 3 3
将 环，系统稳定 时 f 0 ，故 =0 。 如此便可实现永磁同步电机的无位置传感器控制。 系统原理图如 2 所示。
） （ 201232181 30002 ）和江苏省高校优秀科技创新团队资助项目。 周波 男， 1961 年生，教授，博士生导师，
作者简介 : 刘海东 男， 1988 年生，硕士，主要从事永磁同步电机无位置传感器技术研究工作。 研究方向为新能源发电技术、航空电源系统、电机及其控制与功率变换技术。
第 30 卷第 6 期
（ 3）
（ 4）
将式（ 3）、式（ 4 ）代入式（ 2 ）可得
& y11 I dh & I qh y21 & y12 V dh & y22 Vqh
2
脉振高频信号注入法基本理论
根据文献 [1]，永磁同步电机在高频信号下的模 式中
（ 9）
记 L d L q= L ，对于内嵌式和内埋式永磁同步电 机， L 大小由电机本身凸极结构决定。对于表贴式 永磁同步电机，未注入脉振高频电压时 L d= L q = L ； 注入脉振高频电压后，脉振高频电流会使 d 轴主磁 路饱和，使得 Ld＜ Lq，该现象称为 “饱和凸极效应 ” 。
电流
& I qh Lq Ld 2h Ld Lq sin 2 Vh e jπ 2
式中
h—— 脉振高频电压信号角频率。
假设电机转子实际位置（ d 轴与 a 相绕组轴线 ˆ 轴与 a 相绕组 夹角）为 ，电机转子估计位置（ d
ˆ ，转子估计位置误差 ˆ。 轴线夹角）为
1
引言
永磁同步电机驱动通常需要通过位置传感器获
永磁同步电机无位置传感器控制的位置估计误 差大小是评价其性能的重要指标。虽然理论上讲基 于脉振高频电压信号注入法的永磁同步电机无位置 传感器控制系统在稳态时系统误差为零，然而，在 大量的研究实验中发现，在该方法的应用过程中误 差总是难以避免。当前人们对于位置估计误差的来 源多归因于电机的高频信号模型不够精确。为了补 偿由于理论推导时的工程近似或者电机运行时参数 的变化所导致的误差，一种思路是建立更为复杂精 确的永磁同步电机高频信号模型
2
210016;2. 深圳市蓝海华腾技
为了分析永磁同步电机系统各参数对脉振高频信号注入法位置估计误差的影响，以便
有针对性地减小位置估计误差，提高无位置传感器控制技术的性能，首先对脉振高频电压信号注 入情况下永磁同步电机直交轴电压进行了分析，并根据交轴基波电压得到位置估计误差公式；之 后通过对位置误差公式进行数值分析，总结出控制器频率、逆变器直流母线电压及脉振高频信号 电压幅值对位置估计误差大小的影响规律；最后对位置误差分析结果进行了实验验证。 关键词： 永磁同步电机 ; 无位置传感器 ; 脉振高频信号注入 ; 位置估计误差 中图分类号： TM301
Abstract In order to analyze the influences of system parameters on position estimation error of high frequency pulsating signal injection method, to minimize position estimation error and eventually to improve the PMSM sensorless control performance, an expression of position estimation error is introduced based on the analysis of a PMSM’s dq axe voltages under the high frequency pulse voltage injection condition. Afterwards, the influences of controller frequency, inverter DC bus voltage and the injected high frequency pulse voltage on position estimation error are concluded by numerical analysis. In the end, experiments are conducted to prove the validity of the error analysis theory. Keywords ： PMSM, sensorless, high frequency pulse injection, position estimation error