基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制

-)下面是通过采样加减分离法提取基频信号和高频信号的仿真结构图如图5-6和图5-7所示。图5-6提取基频信号仿真图图5-7提取高频信号仿真图5.4基于高频方波注入的控制系统仿真与分析下面进行高频脉振方波注入无位置传感器控制的仿真验证，仿真图如图5-8所示，电机参数如表2-2所示。图5-8基于高频方波信号注入的永磁同步电机的无传感器控制的仿真图仿真条件中，电机参数如表2-2所示。注入的高频方波电压信号幅值为70V，注入的信号频率为5kHz，注入信号波形如图5-9所示。图5-9注入的方波信号电机的给定转速0至1s设定为200r/min，1至2s设定为400r/min。电机空载启动，在0.5s时突加负载1N•m，使得电机负载运行，仿真时间设为2s。可以得到如图5-10所示的仿真结果。a)定子三相电流b)电机电磁转矩c)参考转速、实际转速与估计转速d)实际转速与估计转速误差e)实际转子位置角度和估计转子位置角度f)实际与估计转子位置角的误差图5-10基于脉振方波注入的控制系统仿真结果通过仿真的波形图5-10可以看出，当电机由空载启动时，有一较大启动电流。在0-0.5s内设定电机的转速为200r/min，经过0.25s后电机达到稳定运行状态，超调量计算结果为25%，虽然电机在启动阶段转速有一些超调量，但是系统很快稳定下来，具有比较快的动态响应特性。0-0.5s内到达稳态后电机的转速误差在-1r/min至+1r/min之间；位置误差在0.01rad至+0.04rad之间。由上可知，电机的估计转速可以较好的跟踪电机的实际转速，估计的转子位置角度相对于转实际子位置角度，也表现出良好的跟踪效果。在0.5s时，施加了1N•m的负载扰动，导致转速下降了30r/min，在经过了约0.2s的动态过程后，电机的转速又回到了稳态。在动态过程中，转速误差最大达到-14r/min，稳态恢复后，转速的误差在-1r/min至+1.5r/min之间，电机转速的估计效果相对较好。对于转子的位置角度，跟踪效果也比较好，稳态恢复后位置误差依旧在0.01rad至+0.04rad之间。在这一过程中电机在输出电磁转矩方面具有比较好的稳定性，可以更好适应负载的变化。由以上分析验证了基于高频脉振方波电压注入法能够有效的应对负载的变化，具有较好的抗干扰能力。在1-2s内，针对控制系统在应对转速突变时的动态响应特性进行仿真分析，使电机带1N•m负载运行，转速由200r/min突然增加到400r/min。由以上仿真波形可以知道，当电机的给定转速发生突变时，转速经过0.35s达到稳态，超调量为5%。动态过程中，估计转速可快速跟踪到实际转速，最大转速误差为16r/min；稳态恢复后，转速误差与原来相差不大。动态过程中，估计位置可以快速收敛于实际转子位置，位置误差有所增大但在合理范围内；稳态后位置误差在0.03rad至0.07rad之间，实现了较好的位置估计。由以上分析可以知道，基于高频脉振方波注入的无传感器控制系统在动态过程中没有震荡或发散，具有较好的稳定性。5.5控制方式的对比旋转正弦波注入法，在对信号的提取和解调时最复杂，需要的滤波器数量最多，硬件的成本相对比较高，调试也比较复杂。脉振正弦波注入法，与高频旋转正弦波注入法相似，同样也需要较多的滤波器，对信号的处理也比较复杂，硬件成本也比较高。脉振方波注入法，采用采样加减分离法提取电流，不需要滤波器，对信号的处理相对简单，硬件成本最低，实现控制效果相对简单，整体经济性较好。对同样的电机实现无感控制时，脉振正弦波注入法注入的频率和幅值最低，旋转正弦注入法次之，因此对电机的绝缘性能影响较小，但需要注意脉动电流和旋转磁场引起的电机局部过热。脉振方波注入法注入信号的频率和幅值最高，为了有比较高的信噪比，需要增加注入电压的幅值，这会限制基波电压利用率，对电机绝缘性能影响也较大。同时因为注入的时方波产生的电流谐波成分也比较多，会导致功率损耗加大。从前文的仿真分析中，可以知道，脉振方波注入法对转速估计和位置观测效果最好，误差最小。在应对突加负载和转速突变时脉振方波注入法和旋转正弦注入法都具有较高的鲁棒性。综合考虑，脉振方波注入法采用加减分离法具有更多明显的优势。不仅硬件成本低，而且电路简单，不需要对滤波器调试。使用滤波器可能会限制系统的带宽，而采样加减分离法对系统的带宽造成的影响小，对高频信号影响小，有利于提高系统的动态响应能力。采样加减分离法是基于数字信号处理，一般情况下对信号处理速度的速度更快，尤其在高频信号处理和实时信号处理应用中具有明显优势。5.6本章小结本章先介绍了高频脉振方波注入法的基本原理和基于PLL的转子位置和速度估计方法。对于高频脉振方波注入法高频电流信号的提取采取了采样加减分离法，不需要滤波器，具有更高的稳定性和更低的故障率等优点。之后进行仿真，仿真结果表明，在电机的启动、突加负载及转速突变时都具有快速的动态响应能力，具有较高控制精度和抗负载扰动能力。最后对三种方法进行了对比，方法各有优势，采用采样加减分离法的脉振方波注入法因为不需要滤波器具有更明显的优势。结论本论文针对IPMSM在零低速工况下的无传感器控制展开研究，主要研究基于高频信号注入法的控制策略。旨在解决传统传感器控制带来的成本高、体积大、可靠性差等问题。通过理论分析、构建数学模型、设计控制策略以及仿真验证，系统性地研究了高频信号注入法的实现方法。本文完成的主要工作如下：(1)通过查阅文献，说明了永磁同步电机无传感器控制对提升系统鲁棒性和稳定性具有重要意义，并对永磁同步电机的无传感器控制技术在中高速区和零低速区域的研究现状做了详细的分类和介绍。（2）通过建立IPMSM在不同坐标系下的数学模型，为无传感器控制奠定了理论基础。设计了转速环与电流环PI调节器，并针对的矢量控制通过仿真验证了其双闭环系统的动态响应能力与抗扰动性能，为高频信号注入法的实现提供了可靠的控制基础。（3）之后论文研究了三种高频信号注入法的控制原理。高频脉振正弦波注入法，通过在估计的直轴注入高频正弦电压，利用电机的凸极效应提取转子位置信息。高频旋转正弦波注入法，在静止坐标系中注入旋转高频电压信号，通过外差解调提取位置信息。高频脉振方波注入法：采用正负对称方波注入直轴，结合采样加减分离法直接提取高频电流分量，避免了传统滤波器的相位延迟问题。（4）对三种注入法分别设计了基于锁相环的转子位置和速度估计方法。并在MATLAB/Simulink平台搭建了三种注入法的控制模型，通过突加负载、转速突变等工况测试，验证了系统的动态响应能力与鲁棒性。通过对比带通滤波器与采样加减分离法的性能，验证了后者在硬件成本、信号实时性与抗干扰能力上的优势。本论文存在的不足以及展望：本文在理论分析与仿真验证方面取得了一定成果。但仍存在局限性：实验验证缺失，受限于实验室条件，未搭建实际电机驱动平台进行硬件验证，未来需结合实验进一步检验控制策略的可行性。未进行全速域控制，本文聚焦零低速工况，未探讨中高速区反电动势观测法的融合应用，后续可研究混合控制策略以实现全速域无传感器控制。参考文献C.Liu,Y.Xu,J.Zou,etal.PermanentMagnetShapeOptimizationMethodforPMSMAirGapFluxDensityHarmonicsReduction[J].CESTransactionsonElectricalMachinesandSystems,2021,5(4):284-290.李浩源,张兴,杨淑英,等.基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术综述[J].电工技术学报,2018,33(12):2653-2664.李佩霜,曾成碧,苗虹.高频信号注入的永磁同步电机无传感器MTPA控制[J].组合机床与自动化加工技术,2022(11):92-96.2022.11.021.HUANGYB,ZHANGJD,CHEND,etal.Modelreferenceadaptivecontrolofmarinepermanentmagnetpropulsionmotorbasedonparameteridentification[J].Electronics,2022,11(7):1012-1024.ET-TAAJL,BOULGHASOULZ,ELKHARKIA,etal.ImprovementofsensorlesscontrolofinductionmotorbyvoltagesourceinverternonlinearitiescompensationandextendedKalmanfilter[J].ElectricalEngineering,2022,104(5):3509-3521.LIUJL,ZHANGYC.PerformanceimprovementofnonlinearfluxobserverforsensorlesscontrolofPMSM[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2023,70(12):12014-12023.CHENDD,WANGJ,ZHOULB.Adaptivesecond-orderactive-fluxobserverforsensorlesscontrolofPMSMswithMRAS-basedVSInonlinearitycompensation[J].IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2023,11(3):3076-3086.GEY,SONGWZ,YANGY,etal.Apolar-coordinate-multisignal-flux-observer-basedPMSMnon-PLLsensorlesscontrol[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2023,38(9):10579-10583.吴新兵,章玮,谈方成.基于MRAS永磁同步电机无速度传感器的改进控制策略[J].微特电机,2023,51(07):34-39.林俊亦.基于无位置传感器控制的永磁同步电机驱动控制系统研究[D].温州大学,2021.WUT,LUODR,WUX,etal.Square-wavevoltageinjectionbasedPMSMsensorlesscontrolconsideringtimedelayatlowswitchingfrequency[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2022,69(6):5525-5535.刘颖.永磁同步电机脉振高频信号注入无位置传感器技术研究[D].南京航空航天大学,2012.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(05):21-24.G.S.DeSoysa,U.K.Madawala,M.A.BevilaquaandN.D.Patel,"AsymmetricPhaseWindingBasedPulsatingHFSignalInjectionTechniqueforSurfacePMSMs,"inIEEETransactionsonPowerElectronics,vol.40,no.1,pp.241-251,Jan.2025.杨健,杨淑英,李浩源,等.基于旋转高频电压注入的永磁同步电机转子初始位置辨识方法[J].电工技术学报,2018,33(15):3547-3555.李思敏.基于脉振高频注入法的PMSM无传感器控制研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2022:2-10.孙洪博,张晓宇,柳向斌.永磁同步电机无传感器控制研究综述[J].控制工程,2024,31(10):1786.1796.汪华章,何涛,刘鲲鹏,等.永磁同步电机控制策略综述[J].西南民族大学学报(自然科学版),2025,51(02):177-192.杨书生,钟宜生.永磁同步电机转速伺服系统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