基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制
导语：介绍了一种基于电机空间凸极追踪的转子位置无传感器自检测的方法。
摘要:介绍了一种基于电机空间凸极追踪的转子位置无传感器自检测的方法。该方法采用高频电压载波注入法，通过采用外差法的转子位置跟踪观测器完成了转子位置信息的提取,实现无机械位置传感器的电机转子位置的检测。并通过仿真证明了这种方法的可行性。 自20世纪80年代以来，随着现代电机技术、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的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的发展，交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。满足高性能系统的技术要求.以永磁同步电机电力传动系统为例,为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制,一般应采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制.但是无论采取哪种控制方案,都需要测量转子的速度和位置,一般是通过机械式传感器(编码器、解算器和测速发电机)来实现.但是,这类传感器有安装、电缆连接、故障等问题,并影响系统的可靠性和限制系统的使用范围,不符合集成应用系统的要求。为了解决机械传感器给调速系统带来的各种缺陷,许多学者开展了无机械传感器交流调速系统的研究.无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估计出转子的位置和转速,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的检测方法,其中大多数都是通过检测基波反电势来获得转子的位置信息.这种基于基波激励的方法实施虽然简单,但在零速或低速时因反电势过小而根本无法检测,因此只适用于高转速运行.另外,由于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,它们对电机参数的变化很敏感,鲁棒性差。 为了包括在零速在内的任何速度下都能够获得精确的转子位置信息,一些文献提出了一种新的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的凸极性,而且需要有持续高频激励,从而可以实现电机全速度范围内转子位置的检测.由于这种方法追踪的是电机转子的空间凸极效应,因此对电机参数的变化不敏感,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,其研究具有重要的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的原理,详细讨论了SPWM电压励磁条件下转子自检测方法的实现技术,利用Mat-lab建立了凸极效应自检测过程的仿真模型,给出了高、低速运行下转子位置自检测结果。 1 基于电机空间凸极的追踪转子位置检测原理 除了面贴式外,一般永磁同步电机均会呈现出一定凸极性,从而为通过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.设注入的三相平衡电压用一个以载波信号频率旋转的载波电压矢量来表示
式中： 为静止d-q坐标系中注入的高频载波电压，为载波电压矢量的幅值。在SPWM电压源型逆变器供电的拖动系统中，可以通过逆变器将高频载波信号直接加在电机的基波励磁上，如图1所示。此时，电机的端电压为
式中：为基波电压矢量的幅值。
图1 电流型PWM电压源逆变器高频信号注入法原理图 高频载波信号的频率一般取1kHZ左右，远远高于基波频率，因此在载波电压信号励磁时，电机的阻抗主要取决于电机的自感 ，此时电机的模型可以简化为
如果电机在每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极，那么在以基波频率同步旋转的d-q坐标系中，电机定子电感可以表示为
在静止d-q坐标系中，上式可以进一步转化为
式中：为定子平均电感，为定子微分电感，为以电角度表示的凸极位置。载波电压矢量作用在有凸极效应的电机中，产生出的载波电流矢量包含有正相序和负相序两个分量，即
式中载波电流正、负相序分量的幅值分别为：
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。为了提取载波电流负相序分量相角中包含的凸极位置信息，必须滤除基波电流和载波电流的正相序分量。基波电流与载波电流频率相差较大，可简单地采用带通滤波器滤除。载波电流的正相序分量与负相序分量的旋转方向相反，因此可以先将载波信号电流转换到与载波信号电压同步旋转的参考坐标系中，使载波电流的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的框图如下图所示：
图2 同步高通滤波器 在滤除定子电流的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的自检测。跟踪观测器采用外差法，通过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的矢量叉乘获得转子位置误差信号。即
图3 采用外差过程的转子位置跟踪观测器 由于负相序载波电流分量的估计值采用了单位幅值表达，估计值对电机参数的变化不敏感。 2 内插式永磁同步电机转子位置检测 为了验证基于空间凸极追踪的转子位置检测原理的正确性和可行性，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 由于所选的永磁同步电机的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的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所示是电动机在额定转速（6000r/min）下运行时提取的高频电流矢量的空间轨迹。由于转子的连续转动，转子位置角成为时间的函数，此时的空间轨迹并非是一般的封闭椭圆，但同样表明了依赖于转子位置的凸极存在。
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。由于转子一直在转动，每个载波电流周期的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，载波电流矢量的轨迹仍将闭合，且椭圆转动的方向与转子转动的方向一致。
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的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的负相序分量进行适当处理，就可以获得转子的空间位置。为了考核包括接近零转速在内的全速范围内转子位置检测的有效性，选择转速60和6000r/min进行仿真。当转速在60r/min时，估算与实测的转子位置曲线如图6所示，转子估算值与实测值之差几乎为零；而在6000r/min时的转子实际位置和估算位置的情况也与60r/min时差不多。由上可以看出，无论运行在低速还是高速，这种自检测方法都能够很好地跟踪电机转子实际位置，获得很好的跟踪精度。
图6 转子位置的测量值与估算值（60r/min）
图7 转子位置的测量值与估算值（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的转子位置自检测方法高频注入法的永磁同步电机无传感器控制技术，高频信号注入法的出现使电机在低速和高速时的转子位置都可以一目了然，摆脱了传统的基波信息检测、辨识的处理方式；但它的美中不足就是只有对凸极较高的电机才能过起到不受电机参数的变化和鲁棒性等的影响，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，可以满足高精度的电机系统对速度控制和位置控制的高要求，有一定的市场前景。
式中： 为静止d-q坐标系中注入的高频载波电压，为载波电压矢量的幅值。在SPWM电压源型逆变器供电的拖动系统中，可以通过逆变器将高频载波信号直接加在电机的基波励磁上，如图1所示。此时，电机的端电压为 式中：为基波电压矢量的幅值。 图1 电流型PWM电压源逆变器高频信号注入法原理图 高频载波信号的频率一般取1kHZ左右，远远高于基波频率，因此在载波电压信号励磁时，电机的阻抗主要取决于电机的自感 ，此时电机的模型可以简化为 如果电机在每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极，那么在以基波频率同步旋转的d-q坐标系中，电机定子电感可以表示为 在静止d-q坐标系中，上式可以进一步转化为 式中：为定子平均电感，为定子微分电感，为以电角度表示的凸极位置。载波电压矢量作用在有凸极效应的电机中，产生出的载波电流矢量包含有正相序和负相序两个分量，即 式中载波电流正、负相序分量的幅值分别为： 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。为了提取载波电流负相序分量相角中包含的凸极位置信息，必须滤除基波电流和载波电流的正相序分量。基波电流与载波电流频率相差较大，可简单地采用带通滤波器滤除。载波电流的正相序分量与负相序分量的旋转方向相反，因此可以先将载波信号电流转换到与载波信号电压同步旋转的参考坐标系中，使载波电流的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的框图如下图所示： 图2 同步高通滤波器 在滤除定子电流的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的自检测。跟踪观测器采用外差法，通过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的矢量叉乘获得转子位置误差信号。即 图3 采用外差过程的转子位置跟踪观测器 由于负相序载波电流分量的估计值采用了单位幅值表达，估计值对电机参数的变化不敏感。 2 内插式永磁同步电机转子位置检测 为了验证基于空间凸极追踪的转子位置检测原理的正确性和可行性，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 由于所选的永磁同步电机的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的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所示是电动机在额定转速（6000r/min）下运行时提取的高频电流矢量的空间轨迹。由于转子的连续转动，转子位置角成为时间的函数，此时的空间轨迹并非是一般的封闭椭圆，但同样表明了依赖于转子位置的凸极存在。 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。由于转子一直在转动，每个载波电流周期的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，载波电流矢量的轨迹仍将闭合，且椭圆转动的方向与转子转动的方向一致。 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的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的负相序分量进行适当处理，就可以获得转子的空间位置。为了考核包括接近零转速在内的全速范围内转子位置检测的有效性，选择转速60和6000r/min进行仿真。当转速在60r/min时，估算与实测的转子位置曲线如图6所示，转子估算值与实测值之差几乎为零；而在6000r/min时的转子实际位置和估算位置的情况也与60r/min时差不多。由上可以看出，无论运行在低速还是高速，这种自检测方法都能够很好地跟踪电机转子实际位置，获得很好的跟踪精度。 图6 转子位置的测量值与估算值（60r/min） 图7 转子位置的测量值与估算值（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的转子位置自检测方法高频注入法的永磁同步电机无传感器控制技术，高频信号注入法的出现使电机在低速和高速时的转子位置都可以一目了然，摆脱了传统的基波信息检测、辨识的处理方式；但它的美中不足就是只有对凸极较高的电机才能过起到不受电机参数的变化和鲁棒性等的影响，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，可以满足高精度的电机系统对速度控制和位置控制的高要求，有一定的市场前景。
