基于高频注入法的pmsm无位置传感器控制

摘要
永磁同步电机(PMSM)因其体积小、效率高、能量密度高等特点，已经在工业生产、日常生活、新能源汽车等领域中得到了广泛的应用。

常用的永磁同步电机控制策略都需要实时获知转子的位置，目前一般是通过角度传感器来获得转子位置，但与此同时，带有角度传感器的控制系统往往需要控制系统提供额外的接口电路，而且需要考虑传感器的稳定性和成本等问题，一些工作情况比较恶劣的情况下甚至不允许系统加装传感器。

鉴于这些原因，无位置传感器的PMSM控制成为当前需要解决的一个问题。

本文针对这一问题，研究了基于高频信号注入法的PMSM无位置传感器的控制策略。

本文首先分析了PMSM的基本结构以及数学模型，然后介绍了空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)的理论。

在SVPWM的基础上，介绍了PMSM的矢量控制，即通过坐标变换解耦，把控制系统的励磁分量和转矩分量单独控制。

在矢量控制系统的大框架下，介绍了高频信号注入法的基本工作原理，即在电机的基波电压中注入幅值远低于直流总线电压、频率远高于转子电角度频率的正弦信号，然后对高频信号激励下的定子电流进行采样，通过滤波器获得含有转子位置的高频信号，再通过一系列数学运算解算出转子位置。

在这些理论基础上，建立了旋转高频注入法和脉振高频注入法的MATLAB/Simulink模型，仿真结果表明两种高频注入法都能较好的跟踪转子位置。

设计了以MKV46F256VLH16为核心的PMSM无位置传感器控制系统，并在图形化上位机FreeMASTER平台运行了基于脉振高频注入法的实验，得到了详细的实验波形和数据。

论文最后通过仿真和实验结果，得出结论。

关键词：永磁同步电机 无位置传感器 矢量控制 高频注入法
Abstract
Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) has been widely used in the field of industrial production, daily life, new energy vehicles and so on due to its small volume, high efficiency, high energy density, etc. In general, common control strategy for PMSM needs real-time rotor position, which is usually obtained by rotor position sensor. Meanwhile, control system with position sensor should offer additional interface electric circuit, and the stability and cost of position sensor should be taken into consideration. In addition, position sensor could not be installed in harsh situation. In consideration of these reasons, sensorless control system for PMSM need to be proposed. This paper aims at this issue and studies strategy of sensorless control on PMSM based on high frequency signal injection.
This paper analyzes the basic structure and mathematic model of PMSM, and introduces the theory of Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM). B ased on SVPWM, vector control system of PMSM is introduced, which decouples excitation and torque variable using coordinates transform, so two variables could be controlled alone. Basic principle of high frequency signal injection is introduced based on the frame of vector control. Sinusoidal signal is injected into motor basic voltage, whose amplitude is far below dc bus voltage and frequency is far higher than rotor electrical frequency. After sampling stator current which is generated by high frequency injection, high frequency signal with rotor position information could be obtained by filter. Rotor position could be solved with mathematic operation by high frequency signal. Based on these theoretical analysis, MATLAB/Simulink model of rotating high frequency signal injection and fluctuating high signal frequency injection are built, which have superior performance on rotor position trace. At last, a sensorless PMSM control system experiment platform is designed, which uses the MKV46F256VLH16 chip as the core component, and experiment of high frequency signal injection is operated on graphic upper-computer FreeMASTER, and detailed experimental waveforms and data are obtained.
Finally, this paper draw a conclusion based on simulation and experiment.
Keywords：PMSM; Sensorless; Vector Control; High Frequency Signal Injection
目录
摘要 (I)
Abstract ................................................................................................................................................... I I 目录. (III)
第一章绪论 (1)
1.1研究背景 (1)
1.2国内外发展现状及分析 (3)
1.3本文主要研究内容 (5)
第二章PMSM的数学模型与控制 (7)
2.1永磁同步电机的基本结构 (7)
2.2 PMSM的数学模型 (8)
2.3 SVPWM算法的原理与实现 (12)
2.4 PMSM的矢量控制 (15)
2.5本章小结 (17)
第三章高频信号注入法的PMSM无位置传感器控制 (18)
3.1 高频激励下的PMSM数学模型 (18)
3.2 旋转高频电压注入法的PMSM无传感器控制 (20)
3.3 脉振高频电压注入法的PMSM无传感器控制 (23)
3.3.1 脉振高频电压注入法的基本原理 (23)
3.3.2 基于跟踪观测器的转子位置估计方法 (25)
3.3.3 基于PLL转子位置估计方法 (26)
3.4 转子极性判断 (28)
3.5 本章小结 (30)
第四章高频注入法的Simulink仿真 (32)
4.1 基于SVPWM的FOC控制算法仿真 (32)
4.1.1 SVPWM算法仿真模块 (32)
4.1.2 基于SVPWM的FOC控制算法仿真 (35)
4.2旋转高频电压注入法系统仿真 (37)
4.3脉振高频电压注入法系统仿真 (41)
4.4 两种高频注入法的比较 (43)
4.5 本章小结 (43)
第五章PMSM无传感器矢量控制系统设计 (45)
5.1 系统硬件结构 (45)
5.1.1 主控制芯片 (46)
5.1.2 电源电路 (46)
5.1.3 IPM功率电路 (48)
5.1.4 信号采集电路 (49)
5.1.5 通信电路 (51)
5.2 系统软件结构 (51)
5.2.1 主程序设计 (52)
5.2.2 中断子程序设计 (52)
5.2.3 SVPWM程序设计 (53)
5.2.4 PID程序设计 (54)
5.2.5 脉振高频注入法检测转子位置程序设计 (55)
5.3 基于高频注入法的无位置传感器永磁同步电机矢量控制系统试验 (56)
5.4本章小结 (60)
结论与展望 (61)
参考文献 (63)
攻读硕士学位期间取得的研究成果 (67)
致谢 (68)
第一章绪论
第一章绪论
1.1研究背景
能源一向是人类生活、工业生产必不可缺的物质根本。

当今世界，能源紧缺和因为能源而引发的经济、环境、政治问题已经成为所有人类面临的重大挑战。

在当今社会中，电能以其清洁、便捷等优点，在众多种能源中使用较为广泛，而在电能的生产和使用中，电机起到机电能量转换的桥梁作用。

目前，我们对电机的研究工作主要分为电机本体设计与电机控制两大类。

自电机发明以来，按照给电机供电的电源分，可以分为直流电机和交流电机，电机设计理论已经成熟，目前电机设计发展偏向于工艺的改进、本体的优化。

电机控制包含转速和转矩的控制与人们的生活、工业生产的联系日趋紧密，例如新能源电动汽车对于不同工作条件、负载的控制策略选取，数控车床的主轴电机在不同工况下的转速、转矩的要求，精密仪器动作器件的使能，以及风机流量调节等等都涉及到电机的速度控制，工业用电的负载主要是电机，所以电机控制系统关乎电能的利用[1-3]。

随着半导体技术的快速发展，100nm级别的半导体芯片加工技术已经非常成熟。

每一次功率器件的变更都为电力电子变换技术提供了更多的解决策略[4-5]。

电力电子技术是推动电气行业向前发展的关键技术，从PN结，再到后来的二极管、三极管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的发明，这些功率开关型器件奠定了现代电气技术。

通过这些技术，使得在日常生活和工业制造中，传统的开关控制的负载能在新型开关器件的支持下达到节约能源，提高效率的作用[6-7]。

日本丰田公司是新能源汽车领域的先驱，丰田于1997年推出的混合动力电动汽车普锐斯已经推出，迅速在市场中取得了不错的成就。

与常规的燃油车有所区别的是，普锐斯的动力总成系统除了有一台汽油发动机之外，还有一台可以通过电力驱动的永磁同步电机，在低速或零速状态，由电机来作为汽车的主动力，当电池的电量达到下限时；汽油发电机运行为能源电池充电。

在高速行驶的状态下，普锐斯的发动机配合逆变器可以将直流电压增加到500伏，再通过逆变器转换为驱动动力电机的交流系统。

这种新颖的控制策略开创了新能源汽车行业的先河，不仅可以得到较高功率，又能减轻电池的重量。

总部位于美国加利福尼亚州硅谷的特斯拉公司，也与2008年发布了一款运动型跑车Roadster，之后又陆续发布了Model S和Model X以及2017年交付的Model 3，该公
司出品均为纯电动汽车，不过与普锐斯所不同的是，特斯拉的车型选用的是三相异步电机作为动力系统。

特斯拉公司致力于新能源汽车、新能源跑车的研发，通过近几年的发展，已经在国际市场颇有影响力，也为全球的可持续发展做出了重大贡献[8-9]。

中国的新能源汽车行业起步比较晚，新世纪初才启动了电动汽车重大科技项目，经过十来年的科技攻关，中国的电动汽车产业完成了从无到有，也培养了很多优秀的新能源汽车企业。

2014年，我国新能源汽车企业比亚迪发布的双模电动车“秦”，更是以半年销售5000多台的业绩进入国内前十。

中国已经是世界汽车产业大国，但现在的情况仅仅是产业规模大，并没有掌握核心技术，未来中国的汽车工业急需探求新的发展思路，电动汽车产业有望为我国经济增长的一个重要支撑点。

2016年，国家“十三五”建议指出“坚持绿色发展，着力改善生态环境”。

绿色发展要求以最小的环境损伤为代价使用能源。

[10-11]。

在当今的交流电机控制体系中，直接转矩控制(Direct Torque Control)和磁场定向控制(Field Oriented Control)是各种具体控制系统的基础。

直接转矩控制由德国学者Depenbrock提出来的，这种控制策略的基本思想是将逆变器与电机当作一个整体来考虑，这种控制算法以磁链和转矩为直接控制量，通过滞环控制的思想，将实时的磁链和转矩与给定值进行比较，设定合理的阈值的情况下，磁链和转矩都可以达到很好的控制效果[12]。

直接转矩控制系统无需进行物理量解耦，也就不用进行坐标变换，因此系统的转矩响应比较快，在需要快速做出响应的大惯量运动控制系统领域使用比较广泛[13]。

矢量控制最早由德国学者F.Blaschke提出，其基本思想是将交流驱动的同步电机以坐标变换理论为基础变换为类似于直流电机的控制策略，参照直流电机的特性，通过派克变换将定子电流分解为互相垂直的两个分量，对定子电流在旋转坐标系中的两个分量单独控制幅值和相位，借助直流电机的控制思想，达到对励磁和转速的分别控制，直接控制电机的转速和输出转矩。

对于这两种控制方法，一个完善的闭环控制系统都需要通过安装机械传感器、光电编码器、霍尔传感器、旋转变压器和测速发电机等传感器来获得转子的实时位置。

霍尔传感器以其简单的结构、较低的成本等优点，在各类机械负载中得到了广泛的应用，通过霍尔效应，传感器可以检测磁场来判断具体的转子位置；但是霍尔元件因本身结构、空间的限制，它所产生的电动势因幅值太低在实际应用时往往要通过外接放大器来检测，
第一章绪论
而且需要多个霍尔传感器组合运行，除此之外，霍尔传感器还受工作条件的机械结构限制，使用时需要校验而且存在脱落的不稳定性。

光电编码器一般是在转子的轴上加装一个光栅码盘，光栅码盘既有外围光栅，也有内围光栅。

外围的光栅通常分为固定的等分数，如2000格、5000格，用来记录转子的具体位置；内围的光栅只有一个，用来记录转子的转速。

光栅编码盘一般直接加装于永磁同步电机的转子轴上，因此会增加转子的转动惯量；除此之外，还需电机控制系统支持专门的QEP模块来结算转子位置。

旋转变压器是一种通过电磁耦合作用的传感器，又叫同步分解器，本质上是一种变压器，定子绕组作为变压器的原边，接受外部励磁电压；旋转变压器一般加装在待测电机的转子位置，通过电磁耦合作用，于不同的位置获得不同的感应电压。

旋转变压器可分为正-余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器等。

正-余弦旋转变压器的输出电压和转子位置的关系成三角函数；线性旋转变压器的输出电压和转子转角成线性函数关系；比例式旋转变压器的输出电压和转子位置角度成比例关系。

旋转变压器的精度比较高，但一般需要专用的芯片对旋转变压器进行解算，除此之外，编码器对系统的机械结构比较敏感而且成本较高。

测速发电机的输出电动势和转速成比例，通过精确设计发电机的磁路和绕组，使它的输出的电动势和转速呈线性关系，如果电机改变旋转方向，对应输出的电压也会改变极性。

测速发电机在控制系统中通常作为一些基本功能元件，测速发电机不同的转速对应不同的输出电压信号，测速发电机的反馈信号在大多数应用场合是为系统提供转速的负反馈，以完成速度调节闭环。

测速发电机本质为直流有刷电机，电刷的磨损对电机控制系统产生不稳定性，除此之外，测速发电机的成本较高，对系统的机械结构比较敏感。

基于上述考虑，无论是从电机控制系统稳定性考虑，还是电机的成本等方面，传统的传感器限制了电机产品向低成本、实用化方向发展。

正因为加入了传感器的永磁同步电机有这些弊端，研究无位置传感器的永磁同步电机控制系统非常有必要。

本论文是基于矢量控制和高频注入法的PMSM无位置传感器驱动策略研究，比较了两种高频注入法用于PMSM零低速转子位置检测的特性，并设计了实验验证了理论。

1.2国内外发展现状及分析
国外对永磁同步电机无传感器控制的研究始于上个世纪80年代，国内则主要始于
90年代，经历了三十年多年的研究，国内外的学者提出了很多种方法，同时也得到了很多有价值的研究成果。

概括的说，这些研究成果可被分成三类：(1)适用于转子初始位置检测的方法；(2)适用于低速的方法；(3)适用于中速和高速的方法[14]。

(1)适用于转子初始位置检测的方法
永磁同步电机矢量控制系统需要对转速、直轴电流、交轴电流单独控制，在实际应用中，PI环的结构简单，响应快，通过调节比例和积分系数就能达到需要的效果，一般采用PI环对这三个变量进行单独控制。

而且对于矢量控制系统，因为电机的双闭环回路都需要获得转子的位置初始位置，电机的顺利启动必须需要转子的初始位置。

对于无传感器的矢量控制系统，因为此时电机尚未运行，电机内部没有很难检测电机的转子位置信息。

目前的方法主要以外部加载信号，通过检测响应信号来检测转子位置。

(2)适用于低速的方法
美国威斯康辛大学的Lorenz等一些学者提出了高频注入法，用于电机工作在低速的无位置转子估计，它的基本原理是：通过向永磁同步电机定子绕组的特定位置注入高频信号，使其产生幅值恒定的旋转磁场，或者产生沿着某一轴线脉动的交变磁场。

如果转子具有凸极性（内插式PMSM和内置式PMSM是结构性凸极，而面贴式PMSM在电机主磁路饱和时表现出饱和性凸极），在转子旋转过程中，气隙磁场会受到转子凸极的调制作用，对应的定子电流中会产生因为调制作用的高频响应，这个高频响应与转子的实时位置相关，进而可以通过对这些高频载波信号处理从而提取转子速度及位置信息。

这类方法具有三个基本特征：电机本身具有凸极性、需要外部高频激励信号注入、需要高带宽的信号滤波器。

由于其不依赖于电机本身模型，因此不会受到电机参数变化的影响，但在高速区域，反电动势过大，使得激励模型本身存在误差，降低了位置检测的精度，系统稳定性变差。

按照注入的物理量有所不同，高频信号注入法可以向控制系统注入电流或电压，即在控制系统中注入高频电压信号或高频电流信号。

如果按照在控制系统中注入的位置，可以分为旋转高频和脉振高频，旋转高频注入法是在矢量控制系统的静止坐标系中的α轴和β轴上分别注入高频信号，而脉振高频信号注入法只在旋转坐标系中的直轴注入高频信号[15-16]。

旋转式高频电压注入法的基本原理是在进入SVPWM之前的uα，uβ叠加一个高于电机电角频率的固定频率的电压，在uα上注入余弦分量，在uβ上注入正弦分量，其幅
第一章绪论
值约为PMSM直流电压的0.1倍；因电机的凸极性，在不同位置所产生的响应电流不相同，故电流中携带了转子位置信息。

检测三相电流，先通过克拉克变换变换到静止坐标系中，再通过带通滤波器(Band Pass Filter, BPF)即可获得高频响应电流，因高频响应电流中即有正序分量和负序分量，可通过同步轴系高通滤波器(Synchronous Frame Filter, SFF)获得负相序高频信号，再通过外差法即可获得角度误差，通过扩展伯格观测器获得估计角度和速度[17]。

与旋转高频注入法所不同的是，脉振高频注入法只是在估计的旋转坐标系的直轴上面注入高频信号，注入的信号较少，然后检测估计高频电压激励下，转子高频电流在旋转坐标系下q轴下面的电流，对电流进行滤波、坐标变换，最后采用旋转高频注入法的思路，令交轴电流为零使得估计的转子位置收敛与实际的转子位置。

(3)适用于中速和高速的方法
对于在中速和高速状态下的永磁同步电机控制算法主要是依靠电机基波模型，通过电流电压采样电路，获得实时的电流和电压值，在通过各个物理量之间的相互关系获得磁链、反电动势等和转速、转子位置有关的物理量，再通过数学方法处理这些物理量并从中提取转子速度及位置信号。

高速时，因为电机的反电动势幅值比较大，因此通过反电动势的估计方法具有非常较理想的效果，精度非常高。

目前这类方法常有以下几种：1）基于数学模型的开环估计、2）观测器估计法、3）人工智能理论估计算法[18-20]。

1.3本文主要研究内容
本文的研究方法是在矢量控制的框架上，通过高频注入法，取代传统的传感器来获取转子位置。

首先通过理论分析了高频信号注入法检测转子位置的可行性，然后在Matlab/Simulink中通过仿真验证了该算法检测永磁同步电机转子位置和速度的正确性。

最后搭建了基于实体电机的实验平台，验证了这种算法的实际可行性。

本文的内容安排如下所示：
第一章为绪论，通过查阅国内外相关参考文献，介绍了本文的研究背景，介绍了永磁同步电机的控制现状以及常用的无位置传感器的永磁同步电机控制策略，概述了永磁同步电机无位置传感器控制方法的国内外研究状况，分析了几种无位置传感器检测转子位置和速度的优缺点。

第二章介绍了永磁同步电机的结构，对内置式、面贴式和内插式三种结构进行了比较。

通过电机的结构阐述了电机的工作原理，基于工作原理分析了永磁同步电机的数学模型。

阐述了空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)、克拉克变换(Clark Transform)和派克变换(Park Transform)。

最后，基于前面阐述的基础理论，介绍了磁场定向控制(Field Oriented Control，FOC)以及常用的I d=0控制策略。

第三章介绍几种高频注入法的基本原理、高频激励下的PMSM数学模型、比较旋转高频注入法和脉振高频注入法的特点；阐述了高频注入法中滤波器频率的选取。

第四章在Matlab/Simulink的平台上，先通过空间矢量脉宽宽度调节的理论依据搭建了SVPWM的仿真模块，通过SVPWM和其他的一些模块搭建了磁场定向控制的仿真模型。

然后利用磁场定向控制的仿真模型分别两种高频注入法分别进行了仿真，比较了两种方法转速、转矩响应；转子位置角度以及转速估计的精准度等特点。

第五章为实验，通过飞思卡尔的数字芯片MKV46F256VLH16和仙童的智能功率模块FNB41560为主要器件，搭建了高频信号注入法的PMSM无位置传感器驱动系统的硬件平台，并在飞思卡尔公司的IAR Embedded Workbench集成开发环境设计了该算法的程序，最后在FreeMASTER图形化界面上进行了验证实验。

最后对本文所研究的内容进行了总结，并对进一步的研究做了展望。

第二章PMSM的数学模型与控制
2.1永磁同步电机的基本结构
我国的稀土储存量位居世界前列，因此，我国大力发展永磁同步电机产业，也取得了很多研究成果。

永磁同步电机主要由定子绕组、永磁转子、电机端盖等机械结构组成。

永磁同步电机按不同标准分类也不一样，按定子绕组反电动势的波形来分类的话，可以分为永磁同步电机(PMSM)与无刷直流电机(BLDC)，它们的主要区别是：(1)永磁同步电机的定子绕组是正弦分布的，而无刷直流电机的定子绕组一般釆用集中绕法；(2)永磁同步电机通入的三相定子电流是通过调制解调的三相对称正弦波，而无刷直流电机是三相对称方波；(3)在正常运行时，永磁同步电机产生的反电动势为正弦波，而对于无刷直流电机，因多数采用两两导通的驱动方式，和集中绕组绕制的定子线圈，一般是产生梯形波的反电动势。

一般来说，永磁同步电机按照转子形状的不同，产生的磁阻不对称，可分为凸极机和隐极机。

隐极式永磁同步电机的转子表面安装有永磁材料制作而成的永磁体，永磁体磁导率近似于空气磁导率，所以隐极式永磁同步电机的d轴和q轴的电感基本相同。

对于凸极式永磁同步电机而言，转子的永磁体嵌入到转子轴的内部，它的q轴电感大于d轴电感，输出转矩也由电磁转矩和磁阻转矩共同构成。

按照永磁同步电机主磁场的方向不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按照永磁体转子上永磁稀土材料安装位置，可以将永磁同步电机可分为面贴式、内插式和内置式三种，如图2-1所示[21]。

a)面贴式b) 内插式c) 内置式
图2-1 PMSM的转子结构
面贴式永磁同步电机转子结构比较简单，永磁体材料直接贴于转子表面，成本较低，转动惯量小，一般用于无刷直流电机。

且可通过合理的设计使得磁场趋近于正弦波，属
于隐极电机。

内插式永磁同步电机的转子永磁体磁导率较大，故磁路不对称，这种结构使得电机能产生磁阻转矩，功率密度较大，属于凸极机。

内置式永磁同步电机的永磁体置于转子内部，安全性能较高，常用与弱磁控制的场合，属于凸极机。

永磁同步电机特殊的构造，使得永磁同步电机相对于无刷直流电机、异步电机等常见的有很多优点[22-23]。

表2-1对比了永磁同步电机、无刷直流电机和异步电机调速系统持性。

表2-1 三种电机特性对比
项目永磁同步电机无刷直流电机异步电机
效率高高较低
成本高高低功率因数高高较低
功率密度大较大较低
转矩脉动小较大小
力矩惯量比较大大小
机构紧固程度好较差好调速范围大小大
控制系统复杂程度较复杂简单复杂从上表中可以看出，永磁同步电机的效率，功率因数，转矩脉动等方面相比其他电机有优势，但控制系统比较复杂，成本较高。

无刷直流电机虽然在效率、功率因素等方面有优势，但是转矩脉动，调速范围方面性能有所欠缺。

异步电机在成本，转矩脉动和力矩惯量比等方面有优势，在效率，控制系统方面有所不足。

2.2 PMSM的数学模型
同步电机有隐机和凸极两种典型结构，但隐极结构可视为凸极结构的特例，所以研究对象选用凸极同步电机更具有一般性。

数学模型反应了电机的稳态和动态特性，要求模型的近似程度尽量高，在尽可能提高近似度的情况下简化数学模型做以下假设：
(1)忽略电机的涡流损耗、磁滞损耗和铁耗；
(2)定子绕组的连线方式为Y连接，而且无零序电流产生（即无零序磁链）；
(3)转子是理想的无阻尼永磁体；。