哈工大电机新技术论文----高频注入法

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

电机新技术

院系：电气工程及自动化

姓名： XXX 学号： XXXX

2012年5月

基于高频注入法的交流永磁同步电机的控制系统研究 摘要：电动汽车是解决能源危机和环境污染这两大难题的重要途径，因而逐渐成为新一代交通工具的主要发展方向。鉴于永磁同步电动机（PMSM ）具有体积小、效率高、功率密度高等优点，已经在电动汽车的驱动系统中得到广泛应用。为了进一步降低电动汽车电气驱动系统的成本与复杂性，并提高控制系统的可靠性，永磁同步电机无传感器矢量控制系统成为当前亟待解决的问题。本文针对这一问题，设计了基于高频注入法的永磁同步电机无传感器矢量控制系统。针对纯延时滤波、锁相环、同步轴高通滤波等环节的实现方法、参数的选取和关键技术进行了深入的分析和探讨。

关键词： 永磁同步电机 无传感器 矢量控制 高频注入 锁相环

一、 高频注入法估计转子位置和转速的基本原理

高频注入法估计转子位置和转速基本原理为：通过在电机端注入一个三相平衡的高频电压（或电流），利用电机内部固有的或者人为的不对称性使电机在高频信号激励下产生响应，通过检测高频电流（或高频电压）响应来提取转子位置和速度信息。高频注入法可以分为旋转高频注入法和脉振高频注入法，根据注入信号的性质又分为高频电压注入法和高频电流注入法，不管采用何种形式的高频注入法均要求电机内部具有凸极效应，第二章中已经介绍了本文的研究对象内置式永磁同步电机的结构，其L d < L q ，电机呈凸极特性，而且该凸极不受定子电流的影响，采用高频注入法追踪转子位置具有很强的鲁棒性。本论文采用的是旋转高频电压注入，框图如图1-1所示。下面详细分析旋转高频电压注入法估计转子位置的基本原理。

图1-1 旋转高频电压注入法框图 永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为：

0000s s u i R p u i R p αααβββψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣

⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-1） 永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为：

0000s s u i R p u i R p αααβββψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣

⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-2） 磁链方程为：

c o s ()c o s (2)s i n (2)s i n ()s i n (2)c o s (2)f r r r f

r r r i L L L i L L L ααββψθψθθψθψθθ--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-+⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ （1-3） 式中，()/2q d L L L =+ 为平均电感，()/2q d L L L ∆=- 为定子差分电感，f ψ为永磁体磁链， r θ为转子位置角， s R 为定子电阻， ,,,u i L ψ分别表示定子电压、电流、电感及磁链，下角标,,,d q αβ 分别表示个物理量在其轴上的分量。

电机的电感为多变量的复杂函数，为了简化分析，上述永磁同步电机模型中忽略电动机铁芯的饱和和涡流及磁滞损耗，因此电机绕组电感的变化是由交直轴磁阻的变化引起的，而每相绕组的磁阻是随着转子位置的变化而变化的，因此电感只为转子位置的函数。

在静止坐标系(α− β)轴上分别注入高频电压信号：

c o s ()s i n ()i i i j t i si si i i u t u V V e u t αωβωω⎡⎤⎡⎤===⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦

（1-4） 式中，V si 为注入的高频电压信号的幅值，ωi 为注入的高频电压信号的角频率。当电压频率很高时，电机的定子阻抗主要为电感，在定子电阻上的压降忽略不计，因此有：

v p v ααββψψ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ （1-5） 又由于电机旋转速度远小于高频电压的频率，可得高频电压产生的高频电流响应

为：

cos()cos(2)22sin()sin(2)22ip i in r i i i ip i in r i I t I t i i I t I t αβππωθωππωθω⎡⎤-+-+⎢⎥⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦-+-+⎢⎥⎣⎦ （1-6）

其中，I ip 、I in 分别为定子正序、负序电流分量。

由上式（1-6）可知，由注入高频电压信号得到的电流响应中，包含有转子的位置角信息，即低频转子位置角信息对高频电流进行了调制作用。所形成的电流矢量中包含有三个分量信息：第一个是与注入的高频电压信号同向旋转的正序分量，第二个是与注入的高频电压信号反向旋转的负序分量；第三个零序分量只存在于不对称三相系统中。对于对称的三相系统，定子电流矢量可表示为：

()(2)22i r i j t j t i ip in i I e I e ππωθωαβ--+=+ （1-7）

由上式（1-7）可以看出，转子的位置信息只存在于电流的负序分量中，因此子的位置估算主要依据上式得出。

高频电流响应在转子旋转坐标系下，i dqi 在 d ，q 轴的分量 i di 、i qi 可分别表示为：

cos()cos()()cos()222sin()sin()()cos()222

di ip i r in r i ip in i r qi ip i r in r i ip in i r i I t I t I I t i I t I t I I t πππωθθωωθπππωθθωωθ=--+-+=+--=--+-+=--- （1-8） 且上式（1-8）满足：

2

222

1()()qi di ip in i p in i i I I I I +=+- （1-9） 由数学关系可知，在转子旋转坐标系下高频电流相应的两个分量所形成的轨迹是以（I ip +I in ）为长轴，（I ip -I in ）为短轴的椭圆，且椭圆的长轴与转子旋转坐标系的 d 轴重合，则可知椭圆的长轴与α 轴的夹角就是所需要计算的转子位置角。图 1-2 即为转子在不同位置下的高频电流的轨迹图。由图可见，在转动过程中，椭圆形状一直未变，则说明电机只存在一个空间凸极。

图1-2 转子在不同位置下的高频电流的轨迹图 在两相静止坐标系下的电机定子侧注入高频电压信号i v αβ 的原理图如下图 1-3所示。将高频电压信号加载到电流调节器的输出端，得到的电流矢量只包含正序和负序分量，但转子的位置信息只包含在电流信号的负序分量中，将得到的电流响应信号变换到与载波电压信号同步的参考坐标系上，则正序的电流信号变为直流值，可以很容易的用高通滤波器滤除。所以系统采用同步轴高通滤波器去除基波分量和正序分量，则余下的负序分量可以被用来跟踪转子的凸极，实现转子位置的检测。本系统利用电机作为旋转变压器，逆变器为载波注入的信号源。

图1-3 高频电压信号注入的原理图 二、 基于凸极跟踪的转子位置检测方法

为了从负序电流分量中提取出转子的位置信息，就必须滤除掉电机电流中的基频电流分量，低次谐波电流分量以及 PWM 开关谐波电流分量以及正相序电流

分量[1, 2~4]。由于基频电流分量，低次谐波电流分量以及 PWM 开关谐波电流分量与高频电流响应的频率差值较大，它们可以经过一般的带通滤波器进行滤除。设计带通滤波器需要满足以下几个条件：（1）经过滤波器后高频电流信号的幅值衰减及相位滞后都最小；（2）同时经过滤波器后基频的电流值及 PWM 开关电流值的幅值衰减最大。本文采用时间延时电路再与原直轴电流信号做差的方法来实现滤波，时间延时电路如下图 2-1 所示。