改进高频信号注入法的IPMSM转子位置检测研究 .pdfVIP

改进高频信号注入法的IPMSM转子位置检测研究

廖军;张兴;杨淑英;黎芹

【摘要】高频信号注入法是利用永磁同步电机的凸极效应,在静止坐标系上注入高

频旋转电压,利用滤波器对高频响应电流进行信号处理,最终分析得到转子位置信息.

常规滤波方式中使用的带通滤波器和带阻滤波器带来较大的相移和幅度衰减等问题,

文章基于高通滤波器可以完全滤除直流量的特点,用同步轴系滤波环节代替带通滤

波器和带阻滤波器.仿真研究表明,这种转子位置检测方法既能在低速时准确地观测

出转子的空间位置,也能保证高速运行时较快的动态响应.

【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2010(033)008

【总页数】5页(P1161-1165)

【关键词】无速度传感器控制;永磁同步电机;高频信号注入

【作者】廖军;张兴;杨淑英;黎芹

【作者单位】合肥工业大学,电气与自动化工程学院,安徽,合肥,230009;合肥工业大

学,电气与自动化工程学院,安徽,合肥,230009;合肥工业大学,电气与自动化工程学院,

安徽,合肥,230009;合肥工业大学,电气与自动化工程学院,安徽,合肥,230009

【正文语种】中文

【中图分类】TM301

永磁同步电机(PMSM)的运动控制需要精确的转子位置和速度信号去实现磁场定向,

一般的转子位置/速度检测方法包括测速发电机和光电码盘等,在成本或性能上都难

以满足高性能和复杂条件下的电机控制要求。自20世纪70年代以来发展的无传

感器(Sensorless)控制技术就是为了解决这一问题而产生的。它主要是依据电机方

程,即电压电流和转子位置速度之间的耦合关系间接实现对硬件结构的简化[1]。

目前,无(位置、速度)传感器控制方法按其适用范围基本上可分为2类:基于电机基

波模型的无传感器控制[2-4]和以高频信号注入法为基础的基于电机谐波模型的无

传感器控制[5-9]。其中第2种方法要求电机具有一定程度的凸极性,通过施加持续

高频激励可实现包括零速在内的全速度范围内转子位置的有效检测。该方法追踪的

是电机转子的空间凸极效应,对电机参数的变化不敏感,鲁棒性好,因此,基于高频信号

注入法的PMSM无位置传感器运行研究具有重要的现实意义和应用前景。

目前高频信号注入法中要使用大量的滤波器以提取位置信息,其中带通滤波器、带

阻滤波器的使用严重地影响滤波的精度,带来较大的相移和幅度衰减等问题。

本文基于高通滤波器对于直流量具有零幅值的传递函数的特点,用对应特定频率的

同步旋转坐标系下的高通滤波代替带通滤波器和带阻滤波器,可以有效地提高滤波

的精度。仿真结果表明这种方法可以准确地估算转子位置,从而实现PMSM的无传

感器位置检测。

1高频激励下的PMSM数学模型

1.1磁通饱和模型

在转子同步旋转坐标系下,PMSM的dr轴定子磁链和dr轴定子电流的关系如图1

所示,其中Λm是没有定子电流时的转子永磁体磁链[10]。当定子电流的直轴电流

＞0时,则电枢反应方向与Λm相同,其增磁作用会引起定子磁链的饱和。当定子电

流的直轴电流＜0时,电枢反应方向与Λm相反,其去磁作用使定子磁链退出饱和。

利用这种饱和效应可以实现对转子永磁体极性判别。

图1PMSMdr轴定子磁链和dr轴定子电流的关系

这种饱和关系写成二阶泰勒级数的展开形式为:

其中

1.2高频激励下的PMSM定子电流

本文所采用的高频电压注入方式为旋转电压注入法,在PWM电压源逆变器供电的

情况下,通过逆变器将一组三相平衡的高频电压信号直接迭加到电机的基波激励上,

这种方式实际上是在静止坐标系上注入旋转高频电压矢量。

注入的角频率为ωi,幅值为vi的高频电压信号可以表示为:

写为空间矢量形式为:

定义为的共轭复数,从而有:

同样定义为注入高频电压时对应的合成磁链空间矢量,为其共轭复数。

高频注入信号的频率一般为0.5～1.0kHz,远高于电机基波频率,而在高频激励下,由

于电阻压降相对于电感电压较小,故高频激励下永磁电机在静止坐标系下的模型可

以简化为:

将(5)式带入(1)式,得到在转子同步旋转坐标系中电机磁饱和效应时的高频电流响应

为:

而对于q轴不用考虑磁饱和效应,从而