基于脉振高频信号注入法的高频信号注入无传感器控制

ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　２００９　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１　电气传动　２００９年　第３９卷　第１期　基于脉振高频信号注入法的　ＰＭＳＭ无传感器控制　

徐艳平，王海垠，钟彦儒　（西安理工大学电气工程系，陕西西安７１００４８）　

摘要：针对机械位置传感器给永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）调速系统带来成本高，可靠性低、不易维护等问　题，采用了一种脉振高频电压信号注入法来实现永磁同步电机矢量控制系统的无传感器运行。该方法给电机　定子绕组注入脉振高频电压信号，利用电机的凸极性，通过检测含有转子位置信息的定子电流响应来提取出　转子位置信号，实现控制系统的无传感器运行。实验结果证明了采用脉振高频电压信号注入法实现永磁同步　电机无传感器矢量控制的可行性和有效性。　关键词：永磁同步电动机；脉振高频电压信号；凸极性；无传感器　中图分类号：ＴＭ３５１　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ＰＭＳＭ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ＸＵ　Ｙａｎ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｈａｌ—ｙｉｎ。ＺＨ０ＮＧ　Ｙａｎ—ｒｕ　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４８，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　ｂｒｉｎｇ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｃＯＳｔＳ，ｌｅｓｓ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｎｏｔ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｂｅ　ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒｓ（ＰＭＳＭ）．Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ＰＭＳＭ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｗｈｅｎ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｒｅ　ｉｎｊｅｃｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｃｏｉｌｓ　ｏｆ　ＰＭＳＭ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｗｉｔｈ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓａｌｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ＰＭＳＭ　ａｎｄ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌ；ｓａｌｉ—　ｅｎｅｙ；ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　

Ｉ　引言　近年来，永磁同步电机（ＰＭＳＭ）因具有结构　紧凑，效率高以及稳定性高等优点，已经逐步取代　了工业领域中的直流电机。然而，永磁同步电机　需要精确的转子位置信号来实现磁场定向，传统　做法都是在电机转轴上安装位置传感器来实时获　取转子位置。这些传感器安装不仅增加了系统的　成本、维护性差，而且降低了系统的可靠性Ｌ１］。在　这样的背景之下，如何实现永磁同步电机的无机　械传感器控制成为研究的一个热点。　传统的永磁同步电机无传感器控制可以分为　３类：一类是基于反电动势估算方法［２。］，这类方　法在中速或高速段都表现出了较好的效果，但是　不适合于低速运行；另一类是基于状态观测器和　扩展卡尔曼滤波的估算方法［４　］，这类方法算法　复杂，计算量大，而且易受电机参数变化影响；最　后一类是高频信号注入法Ｌ６卅］，利用电机的凸极　性对高频电流波形的影响来获取转子位置信号，　该方法不依赖任何电机参数，能够实现转子位置　的估算和低速段运行，具有精度高，实现简单等　特点。　本文在建立高频激励下的ＰＭＳＭ数学模型　的基础上，详细叙述了利用脉振高频信号注入法　估计转速及转子位置的原理和在永磁同步电机矢　量控制下实现脉振高频信号注入法的控制策略，　实验结果证明了这种方法可以准确估算出转子位　置，从而实现永磁同步电机的无传感器运行。　

作者简介：徐艳平（１９７７一），女，博士研究生，讲师，Ｅｍａｉｌ：ｐｒｃ＿ｘｙｐ＠１２６．ｃｏｍ　１１　电气传动２００９年　第３９卷　第１期　徐艳平，等：基于脉振高频信号注入法的ＰＭＳＭ无传感器控制　２脉振高频信号注入法无传感器控　制系统的实现　要利用脉振高频信号注入法实现永磁同步电　机的无传感器运行，就必须首先建立起高频激励　下的ＰＭＳＭ数学模型。　２．１高频激励下的ＰＭＳＭ数学模型　为了准确估计出电机转子位置，首先建立估　计转子速ｄ　一ｑ　坐标系与实际转子速ｄ—ｑ　坐标　系，如图１所示。　图１估计转子速系与买际转子速系的关系　Ｆｉｇ．１　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｒｏｔｏｒ　ａｘｉｓ　ａｎｄ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｒｏｔｏｒ　ａｘｉｓ　图１中，ａ—　为静止坐标系，　为估计的转子　位置，ｏｒ为实际的转子位置。估计转子速系ｄ　一ｑ　与实际转子速系ｄ　一ｑ　之间的夹角△　就是转子　位置估计误差角：　Ａ０，一０　一０＇ｒ　（１）　如果只考虑电压和电流的高频分量，并且电　机转速与所注入的高频信号频率相比足够小的　话，那么永磁同步电动机就可以看作是一个简单　的Ｒ—Ｌ负载，电压方程可以表示为　［　］一［　］［　］　（２）　式中：　。　，　。ｎ分别为实际转子速系的ｄ　轴和ｑ　轴高频电压分量；ｉ５　，ｉ：。　分别为ｄ　轴和ｑ　轴高　频电流分量；　ｎ，ｚ　分别为ｄ　轴和ｑｒ轴的高频　阻抗。　由式（１）和式（２）可以得到估计转子速系下的电流　响应为　ｓｈ一　［ｚａ　—Ｚｄｉｆ　ｃ。ｓ（２ｉ０ｒ）］　ｓ　一　［ｚ础ｓｉｎ（２Ａ０　）］Ｖ　）　（３）　｛［　ｖｓ＋ｚｄｉｆＣＯＳ（２ＡＯｒ）Ｗ；２　一　ＶＺｄｉ“ｓｉｎ（２Ａ０ｒ）Ｉｖ２ｈ）　（４）　式中：Ｚａ　为平均阻抗，Ｚａ　一（Ｚａｈ＋　）／ｚ；ＺｄＩｆｆ为　半差阻抗，ＺｄｉＨ一（Ｚ５　一　ｈ）／２；　，　分别为估　计转子速系中ｄ　轴和ｑｒ，轴高频电压分量　￣ｒｒ。　，ｚ－　ｒ＇　１　２　分别为ｄ　轴和ｑ　轴高频电流分量。　由式（３）和式（４）可以看出，如果仅在估计旋　转坐标系中ｄ　轴上注入高频信号，即　一０，当　转子位置估计误差角ＡＯｒ为零时，ｑ　轴上的高频　电流　就为零，从而没有转矩脉动，所以在ｄ　轴　上注入高频信号效果会好些。　由于只在估计转子速系ｄＬｇ　的ｄ　轴上注　入高频电压信号，所以该高频电压信号在静止坐　标系下就是一个脉振的高频电压信号。　２．２高频信号注入法的控制原理　根据上面的分析，只在估计转子速系ｄ　轴上　注入的高频电压信号为　ｆｇｈ—　ｉ　ｊ　ＣＯＳ（∞ｈ纠　１　。ｈ—ｏ　式中：　为注入高频信号的角频率；Ｖｉ　为高频信　号的幅值。　将式（５）代入式（４）可得到此时的ｑ　轴高频电流　响应为　

ｚ￣　ｒｒ　｝ｌ＝

Ｖｉ．ｉｃｏｓ（ＣＯｈｔ）［－

Ｓ。（２Ａ０Ｚｄｉｔｆｓｉｎ　）］（６）　ｚｑｓｈ一　Ｊ　

般情况下，高频电阻远小于高频感抗，可以忽略　不计，　轴高频电流响应可以改写为　

Ｌ洲ｓｉｎ（　）（７）Ｌ　＇‘，：＝———　—————————一　●　Ｊ…ｒ　１ｎ　ｌ　ｈ　ｒ，　ｌ，，　叫｝Ｌｄｈ。ｈ　～“　”…　、～　

式中：Ｌ　ｈ，Ｌ。　分别为ｄ　轴和ｑ　轴的高频电感；　Ｌ　ｄｉｆｆ一（Ｌｄｈ—Ｌ。ｈ）／ｚ。　由式（７）可以看出，高频电流　不仅与△　有关，而且与ｓｉｎ（ｃｏｈｔ）也有关。因此必须经过一定　的信号处理过程滤除高频成分，而保留包含转子位　置估计误差角的低频成分。将　与ｓｉｎ（　）相　乘，经过低通滤波器ＬＰＦ滤出高频成分后，可以　得到转子位置估计器的输入信号ｉ　为　Ｉ‘Ａ０＝ＬＰＦ［Ｆｑ２ｈｓｉｎ（ｃｏｈ￡）］　

Ｆ｛　［　＋　ｃｏｓ（２　）　

＝　ｓｉｎ（２Ａ０ｒ）　（８）　ＬＯ）ｈＬｄｈＬｑｈ　

在式（８）中，若转子位置估计误差够小，则ｓｉｎ（２ＡＯＤ￣　

２ＡＯ　。如果调节ｉ　使之为零，则转子估计误差也　为零，即转子位置的估计值收敛到转子位置的真　实值。　采用脉振高频电压信号注入法估计转子位置　的原理图如图２所示，将ｑ　轴上的电流分量响应　经过带通滤波器ＢＰＦ滤波得到高频电流分量　将此高频电流分量与高频正弦信号ｓｉｎ（　￡）　徐艳平，等：基于脉振高频信号注入法的ＰＭＳＭ无传感器控制　电气传动２００９年第３９卷第１期　相乘，再经过低通滤波器ＬＰＦ后即可得到转子位　置估计器的输入信号　醇。转子位置估计器是由　个ＰＩ调节器和一个积分器组成的。从ＰＩ调节　器输出的估计转速ｃｃ，　经过积分器就得到估计的　转子位置　。　

图２脉振高频信号注入法原理图　Ｆｉｇ．２　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　

２．３脉振高频信号注入法的ＰＭＳＭ矢量控制　基于脉振高频电压信号注入法的无传感器　ＰＭＳＭ矢量控制系统框图如图３所示。　

图３基于脉振高频信号注入法的无传　感器ＰＭＳＭ矢量控制系统框图　Ｆｉｇ．３　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＰＭＳＭ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　

３　实验研究　为了验证采用脉振高频电压信号注入法估计　永磁同步电机转子位置的可行性与有效性，针对　台表面式ＰＭＳＭ进行了实验研究。电机参数　为：极对数４，额定电压２００　Ｖ，额定功率１．５　ｋｗ，　转子惯量０．００１　２３　ｋｇ·ｍ　，额定转矩７．１５　Ｎ·ｍ，　额定频率１３３　Ｈｚ，额定电流９．４Ａ，额定转速２０００　ｒ／ｒａｉｎ。　实验系统采用数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２　来实现脉振高频电压信号注入法的ＰＭＳＭ无传　感器的运行。为了评价转子位置和转速的跟踪效　果，一个２　５００线的光电码盘安装于电机后端。　控制系统采样频率与逆变器的开关频率均为６　ｋＨｚ。ＰＷＭ的发生采用ＳＶＰＷＭ（空间电压矢量　

ＰＷＭ）调制。系统采用电流标幺运算，基值为额　定相电流峰值的两倍（２６．５８　Ａ）。注入信号的频　率为７５０　Ｈｚ，幅值为基值的１　，当电机以不同转　速运行时，注入的幅值略有不同。低速运行时，注　入的高频幅值要略有增大，范围是４　～６　。所　得到的实验结果如图４～图７所示。　图４为电机空载稳定运行于２６５　ｒ／ｍｉｎ的实　验波形。图４ａ为码盘测量的转速和电机相电流；　图４ｂ为码盘测速和估计转速；图４ｃ为码盘测量　的转子位置和估计转子位置。从图４中可以看　出，采用脉振高频电压信号注入法可以较好地估　算出转子位置和转速，电机能够平稳的运行。