交流电机调速技术

永磁同步电机无位置传感器控制技

术的研究

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一引言

无位置传感器控制技术是目前永磁同步电动机最为活跃的研究领域。本文根据适用转速范围不同，介绍了无位置传感器控制技术。同时重点介绍了在零速和低速应用较多的高频电压信号注入法。

二永磁同步电机及其无位置传感器控制技术

2.1永磁同步电机

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM) 采用强抗退磁永磁材料替代励磁绕组的同步电机，由于省去了励磁绕组、集电环和电刷装置，具有功率密度大、能量转换效率高、转动惯量小、运行可靠等一系列优点。2.2 无位置控制技术分类

1.零速和低速时无位置传感器控制

主要由转子凸极性产生的定子电感变化来提取位置信息。永磁同步电机的凸极性主要有结构性凸极和饱和凸极。永磁同步电机的凸极性是由电机本身或外部激励产生，与电机运行状态无关，故基于凸极性的方法被广泛应用于低速(零速)运行下的PMSM无位置传感器矢量控制技术。

该类方法主要有：电感测量法、电压脉冲法、载波频率法、低频信号注入法和高频信号注人法。

2.中速和高速时无位置传感器控制

应用于中速和高速运行下的PMSM无位置传感器控制技术，大多是直接或间接地从电机反电动势中提取位置信息。由于低速下电机反电动势较小，系统中的信号干扰等因素难以获取反电动势，无法实现零速和低速时的无位置运行。

该类方法主要有：电压电流检测法、模型参考自适应法、观测器法和人工智能算法。

3. 全速度范围内无位置传感器控制

从国内外学者对 PMSM 无位置传感器控制技术的研究结果来看，没有一种单一的方法能使电机在很宽的调速范围内平稳运行现、将上述分别适用于零速和低速、中速和高速的两类方法相结合，构成复合控制方法，提供了一种合适的控制解决方案，也是较为活跃的研究方向。

三基于高频电压信号注入法的PMSM 无传感器控制原理 3．1定子坐标参考系下的PMSM 数学模型

无凸极面装式永磁同步电机在定子坐标参考系下的动态方程可以表示 为)1()(s

s s t

s e v B Ai d di -+=

其中，

⎥⎦

⎤

-⎢

⎣⎡-=s s s

s L R L R A /00/，

⎥⎦

⎤

⎢

⎣⎡=s s

L L B /100/1,

⎥

⎦

⎤

⎢⎣⎡=βαi i i s ，

⎥⎦⎤⎢⎣⎡=βαv v v s ，

⎥⎦⎤⎢⎣⎡-••=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=θθψωβαcos sin m s e e e s L 、s R 和m ψ分别为定子电感、电阻和转子磁链的幅值，ω为转子速度，θ

为转子位置角。

3．2脉振高频电压注入法基本原理

3.2.1高频电压信号的注入

面装式永磁同步电机在实际旋转参考坐标系下的电压方程如式(2)所示：

)2(0⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+⎥⎦⎤+-⎢⎣⎡-+=⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡m r s s s r s r s s r qs r ds p L R L L p L R U U ψωωω

如果在式(2)中注入的电压信号的频率相对转子速度足够高，由于反电动势中不包含任何高频分量，阻抗矩阵中主对角线的对应项包含与注入的高频电压成比例电流的微分项，但是交叉耦合项不包含这些项，稳态时可把式(2)所示的电压模

型简化为:)3(00⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎦⎤+⎢⎣⎡+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡r qsh r dsh r qh r qh r dh r dh r

qsh r dsh i i p L r p L r U U

式中，r dsh U ，r qsh U 和r dsh

i r qsh

i 分别表示高频电压信号下实际旋转坐标系的

直轴电压、交轴电压和电流分量，r dh r ，r qh r 和p L r dh ，p L r qh 分别表示高频

电压信号下实际旋转坐标系的直轴和交轴的定子电阻和电感。引入高频注入电压信号的频率为

h ω，稳态下式(3)可以转化为式(4)。

)

4(0000⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤+⎢⎣⎡+=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡r qsh r dsh

r qh r dh r qsh r dsh r qh h r qh r dh h r dh r qsh r dsh i i Z Z i i L j r L j r U U ωω式中，r dh Z 和r

qh Z 分别为两相旋转坐标下直轴和交轴的高频阻抗。

由于不知道转子的实际位置，所以我们利用估计的转子参考坐标系，如下图1，

定义转子位置估计误差角度r θ∆为)5(r

r r θθθ-=∆∧

图1估计转子参考坐标系

在估计的转子参考坐标系中，高频电压方程可以转化为

⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣

⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤∆-∆⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆+=⎥⎥

⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎦⎤

∆∆⎢⎣⎡∆-∆⎥⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤∆∆-⎢⎣⎡∆∆=⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡∧∧∧∧∧∧r qsh r dsh

r diff avg r diff

r diff r diff avg r

qsh r dsh r r r

r

r qh r dh

r r r r r qsh r dsh i i Z Z Z Z Z Z I I Z Z U U θθθθθθθθθθθθ2cos 2

2sin 22sin 2

2cos 2cos sin sin cos 0

0cos sin sin cos （6）

式中

avg

Z 和

diff

Z 分别为d 轴和q 轴平均阻抗和阻抗之差。

)7(2

r qh

r dh avg Z Z Z +=

2

r qh r dh diff

Z Z Z -=

（8） 从式(6)得出，若

diff

Z 不为零，则交叉耦合项高频阻抗与转子位置估计误差角

r θ∆的正弦函数成正比。则调节交叉耦合项高频阻抗为零来估计出实际转子位

置,式(6)可以转化为式(9):

)9(2cos 2

2sin 2

2sin 2

2cos 2⎥⎥⎥

⎦⎤

⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦

⎤∆+

∆-⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆-∆-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∧∧∧∧

r

qsh r dsh

r diff

avg r diff

r diff r diff avg r

qsh r dsh U U Z Z Z Z

Z Z i i θθθθ从上式可以看出，估计转子参考坐标系中的∧

r

d 轴和∧

r

q 轴都能用来注入脉振高频电压信号。如果在估计转子参考坐标系的∧

r

q 轴注入高频电压信号

∧r qs

U 则对应

∧

r q 轴的高频电流∧

r

qs

i 与平均阻抗成正比，会产生较大的转矩脉动，注入的高频

电压会在相同的轴产生高频电流，在∧

r

q 轴注入也会产生相应的高频电流损耗。如果在估计转子速度坐标系的∧

r

d 轴注入高频电压信号

∧r ds U 只要∧

r

q 轴高频电

流

∧r qs

i 就为零，并且没有转矩脉动。考虑到高频电流引起的转矩脉动和额外损耗，

只在估计转子参考坐标系的∧

r

d 轴上注入脉振高频电压信号比较合适，而利用

∧

r

q 轴高频电流估计转子速度和位置会获得更好的效果，如下式(10)所示。

)

10(0cos ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥

⎦

⎤⎢⎢⎢⎣⎡∧∧t V U U h inj r qsh r

dsh ω