永磁同步电机无传感器控制系统的仿真研究
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ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ： ｈ ｓ ｐ ｐ ｒｐ ｏ ｏ ｅ ｅ ｅ ｍａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｙ ｃ ｒｎ ｕ ｔ ｒｒｔ ｒｔｃ ｎ ｃ ｉ ｃｕ ｉｇ ｔ ｅ ｅ ｔ ｔ ｎ Ｔ ｉ ａ ｅ ｒｐ ｓｄａｎ ｗ ｐ ｒ ｎ ｎ ｍａ ｎ ｔｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓｍｏｏ ｏ ｈ ｉ ｌ ｄ ｎ ｈ ｓｉ ｉ ｏ ｅ ｎ ｍａ ｏ
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２
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（） １
［
＝
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其 中 ， 厶 分别是正 、 ＾和 负序分量 的幅值 ：
［＝乏［Ｌ －ｉ］乏 ： ［ Ｌ ，一。 丢】 ： 】一ｉ Ａ ［ ］ ＋＋ｏ △２ △ Ｌ２ Ａ２ ￡０ ｃ ｓ ｓ 。￣ ０ ｎ ＋Ａ ０ 】］ ： ］ｃ ２ ［ｎ ｗ － ［ ［ ２ ￣ 。 乏 三 Ｌｓ 。 ｉ ２ ２ ＋
磁 同步 电动 机的无传感器控制 。
２
扰等问题 ， 并降低 了系统费用 ， 因此 ， 无传感 器控制技 术越来
越 受 到 重 视 … 。
基于高频信号注入 法无传 感器 控制对 于 内埋 式永 磁 同
基金项目： 宿迁市科技计划项目（２１ ） 宿迁学院科研项目 Ｚｏ ；
（ ０ １ ２ １ ＫＹ４ ４）
ｍ ｔｏ ｓ ｆ ｏ ｒ ｏｉｏ ｎ ｐ ｅ．Ｔ ｅｐｐｒ ｄｓｕｓｄｔｅｂｓ ｒ ｃ ｌｓ ｆｈ Ｊｈｆ ｑ ｅｃ ｇａ ｉｊ ｔ ｎ ｅｈｄ ｔ ｓｉｎａｄｓｅｄ ｈ ａｅ ， ｉ ｓｅ ａｉ ｐ ｎ ｉ ｅ ｅｈｇ ｅ ｕｎｙｓ ｌｎ ｃｉ ｏ ｒｏ ｐ ｔ ｃ ｈ ｃ ｉ ｐ ｏｔ ｒ ｉ ｅ ｏ ｎ
其 中 ， 、 为 轴 磁链 ； 、 为 ｑ ‰ Ｂ轴 电压 ； Ｌ Ｌ 、 为 由
式（ ） ７ 表明 ， 注入一个 三相对称高频 信号 导致 了定子 电流 中
含有转子 位置信 息。对于一个对称 系统 ， 由三相高频载波 电
压矢量形成 的电流 矢量 可 以分为 个 分量 ： 一个 是正 序分 第
何与转子位置相关 的信息 ， 只有负相序 高频 电流分量 的相位
负载力矩 ； 为 电动机转动惯量 ； 为阻尼系数 。 ． ， 由上 面的推导得知 ， 内埋式永磁 同步 电动机在 永磁体产
中包含转子位置信息 ０。
因而必须采用适 当的信 号处理 技术将 它提取 出来 以实 现对转子位置 的检测 。 在交 流 Ｐ ＷＭ 电压源逆变器 中加入一个载波 电压励磁矢
第２卷 第８ ９ 期
文章 编号 ：０６— ３ ８ ２ １ ） ８— ４ １— １０ ９ ４ （０ ２ ０ ０ ０ ０ ４
计
算
机
仿
真
２２ 月 ０ 年８ １
永 磁 同步 电 机 无 传 感 器 控 制 系统 的 仿 真 研 究
刘 美侠 ， 孙延 永
（ 宿迁学院机电工程系 ， 江苏 宿迁 ２ ３ ０ ） ２ ８０ 摘要 ： 研究无传感器永磁电机性 能优化 问题 。无传感器永磁同步电机控制技术具有成本低 、 体积小 ， 可靠性高等优点。针对
ｉ ｇ ｔｒ ｕ ｌａｉｎ ｉ ｍ ａｌ ｈｅ ｐ ｒｏ ａ ｅ ｆａ ｔ ｉｔ ｒｅ ｅ ｃ ｔｔｃ ｎｄ ｄ ｎａ ｃ ｒ ｏ ｄ． ｎ ｏ ｑ ｅ ｐｕｓ ｔ ｓ ｓ ｌ ，ｔ ｅ ｒ ｎｃ ｓｏ ｎｉ— ｎ ｅ ｒ ｎ ｅ ｓａｉ ｓａ ｙ ｍｉｓ ａｅ ｇ ｏ ｏ ｆ ｍ ｆ
内埋式永磁 同步 电动机 的转子具有 凸极 结构 ， 而高频信号 注
入法正是利用 电机的 凸极 结构 来估计 转子 的磁极 位置 。高 频 电压信号 注入法 的基本原 理是 向电机的定 子绕 组 中注入
一
个对称三相高频旋转 电压 ， 电压矢量在 电机 内产生旋 转磁
场， 并产 生高频载波 电流。注入信 号 的角频率 要 远高 于
． ，
２ １ Ｋ ４ ０１ Ｙ４
永磁 同步 电动 机数 学模 型
、 ｌｌ Ｊ ＿ 。口 ＇ Ｊ ¨ Ｊ 】 ｌ ｚ
收稿 日 ： １ 一 ｌ １ 期 ２ ２ Ｏ 一３ ０
较精确地建立永 磁 同步 电动机 的数学模 型是进 行 电机
一
４ ０１ —
磁极位置估计 和控 制的基础。为简化计算作 如下假设 ：
１ 引言
永磁 同步电动机 （ ｅ ａ ｅｔ ｇ ｅ Ｓｎｈｏ ｏｓＭｏ ｒ， Ｐ ｒ ｎｎ ｎ ｔ ｙｃｒｎ ｕ ｔ ｓ ｍ Ｍａ ｏ Ｐ Ｓ 无需励磁 电流 、 行效率高等优 点而广泛地应用在交 Ｍ Ｍ） 运 流调 速传 动中 ， 但它 的高性能控制需要精 确的转 子位 置和速 度信 号去实现磁场定 向。在传统 的运动控制 系统 中， 通常采
传统 的传感器为机械式系统成本 高、 可靠性低 的缺点 ， 采用永磁 同步电机控制技术 领域的一种新 的永磁 同步电机转子位置 、
速度估算方法 即高频电压信号注入 法。文 中对高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制技术 的基本原理进行了论述 ，
并采用外差方法得到转子位置和速度估计信息 ， 建立 了永磁 同步电机无传感器矢 量控 制系统 的仿 真模 型 ， 出了仿 真试验 给
用光 电编码器等来 检测 转子的位 置和速度 。然 而 ， 些机械 这 式的传感 器增 加 了系统 的成 本也 降低 了系统 的可靠 性 。无 传感 器控制能够有效 降低位 置传感 器带来 的安 装 、 维护 、 干
转子旋转角频率 ∞ 。如 果 电机 磁路具有 凸极性 ， 么 ， 那 就会 对注入 的高频载波 电压信号产生调 制作 用 ， 制的结果 反映 调 在高频载波 电流 响应 中， 定子电流成为包含 有转子位 置信 使 息 的高频载波 电流 ， 这个 载波 电流解调 后 ， 将 就会 提取 出有 关转子磁极位置 的信 息 ， 以此 来构 成闭环 控制 系统 ， 实现永
（ ｅａｔ ｎ ｏ ｃａｉ ｌ ｎ ｌ ｔ ｎ ｎｉｅｒ ｇ ｕ ｉ ｏ ｅｅ Ｓ ｑａ ｉｎｓ ２ ８０ Ｃ ｉａ Ｄ ｐｒ ｍｅｔ ｆ Ｍｅｈ ｎｃ ｄＥｅ ｒ ｉ Ｅ ｇ ｅ ｎ ，Ｓｑａ Ｃ ｌ ｇ ， ｕ ｉ Ｊ ｇｕ２ ３ ０ ， ｈ ） ａａ ｃｏ ｃ ｎ ｉ ｎ ｌ ｎ ａ ｎ
ｍｅ ｈ ｄ ｆ ｒｐ ｒ ａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒｓ ｎ ｏｌ ｓ ｏ ｔ ｌｔｃ ｎ ｌ ｇ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ｔｒ ｄ ｎ ｔ ｏ ｓｕ ｅ ｔ ｏ ｏ ｅ ｍ ｎ ｎ ｍａ ｎ ｔｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓｍｏｏ ｅ ｓ ｒ ｓｃ ｎｒ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｈ ｅ ｅｏ ｙ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｏ
子上的耦合磁链 ；， 为实际的转 子位 置 ； 为 轴 电流 ； ｉ、 Ｐ 为 电机极 对数 ； ∞ 为转子 电磁 角速度 ； 为 电机 机械角速
度（ ｍ＝∞ ／ ； 定 子 相 电 阻 ； ｅ 为 电 机 输 出力 矩 和 ， ，） Ｒ 为 ｔ Ｔ、
从式 （ ） ８ 中可 以看 出， 正相序高频 电流分量 中不包 含任
１ 忽 略 电动 机 铁 心 的饱 和 ； ）
其中 ， 是 高频 注入 电压信号 的幅值 ， ∞ 是高 频注入信号 的
角频率。 那么 ， 电机的定子磁链可 由下式 近似得 出：
＝
２ 不计 电动 机中的涡流和磁滞损耗 ； ）
３ 转 子上没有阻尼绕组 ， ） 永磁体也没有阻尼作用 ；
系 中， 正序 载波信号 就变 成一个 直流值 ， 容易用一 个高 通 很 滤波器滤掉 。故采用 一个 高通 同步 坐标 系滤 波器 （ Ｆ ） Ｓ Ｆ 去
３ 高 频 电压信 号注 入法
Ｓ ｍ ｕｌｔｏ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ｅ ｏ ｌｓ ｎｔｏ ｉ ａ ｉｎ ｓ ａ ｃ ｏ Ｓ ｎｓ ｒｅ ｓ Ｃｏ ｒ ｌ ｏ ｒ ａ ｎ ａ ｎｅ ｙ ｃ ｏ ｏ ｓ Ｍ ｏ ｏ ｙ ｔ ｍ ｆＰｅ ｍ ｎｅ ｔＭ ｇ ｔＳ ｎ ｈｒ ｎ ｕ ｔ ｒ Ｓ ｓｅ
ＬＩ Ｍ ｅ Ｕ ｉ— ｘａ． ＵＮ ｎ — ｙ ｎ ｉ Ｓ Ｙａ ｏｇ
量 耐 的原理 图如 图 １所示。将三相对称 的高频 电压信号加
到电流调节器 的输 出端 ， 可以测得 电机 的电流响应。 由三相 对称 高频 载波 电压 矢量形 成 的电流矢 量包括 正 、 负序分 量 ，
电机凸极 的位 置信 息调 制了高频载波 电流 ， 子的磁极位 置 转 信息只包 含在受调 制的同频 载波 电流 信号的负序分 量 中， 当 载波电流信号转换 到一个 与载 波电压励 磁 同步 的参 考坐标
生 的定子磁链 中包含 了转子位置信息 ， 内埋式永 磁 同步 电 而
动机 的 ｑ轴与 ｄ轴 电感 却有较 明显 的差 值。它 的 ｄ轴 主磁 通穿过两个永磁体 ， 这相当于在直轴磁通路径 上串联两个气 隙， ｇ 主磁通仅穿 过气 隙和铁心 ， 以 ， 而 轴 所 ｇ轴励磁 电感要 明显高 于 ｄ轴励 磁 电感 ， 常 两轴 的 电感 之 比可 达 ３倍 以 通 上 。因此 ， 以采用高频信号注入方式对 内埋式永磁 同步电 可 动机转 子磁极位置的估算。
ＫＥ Ｗ ＯＲ ：ｅｍ ｎｎ ａ ｅ ｓｎ ｈｏｏｓｍ ｔ ； ｉ ｕａ ｏ ；Ｓｎｏｌｓ； ｉｈ￣ ｑ ｅｃ ｊｃｉ ｅ ｏ Ｙ ＤＳ Ｐ ｒ ａｅｔ ｇ ｔ ｙ ｃｒｎｕ ｏｏ Ｓｍ ｌｔ ｎ ｅｓｒ ｓ Ｈ ｇ ｅｕｎｙｉ ｅｔ ｎｍ ｔ ｄ ｍｎ ｒ ｉ ｅ ｎ ｏ ｈ
步 电动机 的转子磁极 位置 估计 ， 具有 很大 的优势 ， 是 因为 这
结果 。仿真结果表明 ， 改进的控 制系统 响应 快 ， 启动 过程 中转矩脉 动小 ， 速上 升平稳 ， 扰动性 能好 ， 良好 的静 、 转 抗 有 动态
性能 。
关键词 ：永磁同步电机 ； 仿真 ； 无传感器 ； 高频注入法
中 图分 类 号 ：Ｍ ５ Ｔ ３１ 文 献标 识 码 ： Ｂ
ｔ ｓ ｍａ ｅｒ ｔｒｐ ｓｔ ｎ ａ ｄ ｓ ｅ ｄ ｔ ｓ ｂ ｉｈ ｄ ｓ ｌｔ ｎ ｍｏ ｅ ｆ ｅ ａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｙ ｃ ｒｎ ｕ ｔ ｒｓ ｎ ｏ— ｏ ｅ ｔ ｔ ｏｏ ｏ ｉ ｏ ｎ ｐ ｅ ｏ ｅ ｔ ｌ ｅ ｉ ａｉ ｄ ｌｏ ｐ ｒ ｎ ｎ ｉ ｉ ａ ｓ ｍｕ ｏ ａ ｍ ｍａ ｎ ｔｓ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓｍｏｏ ｅ ｓ ｒ ｌ ｓ ｅ ｔ ｒｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｅ ｓ ｖ ｃ ｏ ｏ ｔ ｙ ｔｍ．Ｔ ｅ ｓｍｕ ａｉｎ ｒｓ ｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｅ ｉ ｒｖ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔｍ ｅ ｐ ｎ ｅ ｕ ｃ ｌ ｈ ｔｒ ｏ ｈ ｉ ｌ ｔ ｅ ｕ ｓｓ ｏ ｈ ｔ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｏ ｔ ｓ ｏ ｌ ｔ ｏ ｓ ｅ ｒ ｓ ｏ ｓ ｓｑ ｉ ｋｙ，ｔｅ ｓａ ｔ —
４ 反 电 动势 是 正 弦 的 。 ）
屹
㈤
内埋式永磁同步电动机 在静 止坐标 系 Ｂ
ＡＬ ｓｎ ２ ｉ
一
将式 （ ） ６ 代入到式 （ ） 并简化可得 ： ４ 中，
［ ＝一 ［△ｏ ： ＬＬ２ 】 ＋ｅ０ Ａｓ ｉ
量 ， 以与高频注入 电压相 同 的方 向旋转 ； 二个是 负序分 它 第
量 ， 以与高频注入 电压相反 的方 向旋 转。所以定子 电流矢 它 量可写作 ：
矾 ＝ ＋＾ ’ （） ８
轴电 ＝｝（ ＋ ；己 （ — ； 为转子在定 感； — Ｌ）△ ＝｝ Ｌ）
，
－
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其 中 ， 厶 分别是正 、 ＾和 负序分量 的幅值 ：
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磁 同步 电动 机的无传感器控制 。
２
扰等问题 ， 并降低 了系统费用 ， 因此 ， 无传感 器控制技 术越来
越 受 到 重 视 … 。
基于高频信号注入 法无传 感器 控制对 于 内埋 式永 磁 同
基金项目： 宿迁市科技计划项目（２１ ） 宿迁学院科研项目 Ｚｏ ；
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其 中 ， 、 为 轴 磁链 ； 、 为 ｑ ‰ Ｂ轴 电压 ； Ｌ Ｌ 、 为 由
式（ ） ７ 表明 ， 注入一个 三相对称高频 信号 导致 了定子 电流 中
含有转子 位置信 息。对于一个对称 系统 ， 由三相高频载波 电
压矢量形成 的电流 矢量 可 以分为 个 分量 ： 一个 是正 序分 第
何与转子位置相关 的信息 ， 只有负相序 高频 电流分量 的相位
负载力矩 ； 为 电动机转动惯量 ； 为阻尼系数 。 ． ， 由上 面的推导得知 ， 内埋式永磁 同步 电动机在 永磁体产
中包含转子位置信息 ０。
因而必须采用适 当的信 号处理 技术将 它提取 出来 以实 现对转子位置 的检测 。 在交 流 Ｐ ＷＭ 电压源逆变器 中加入一个载波 电压励磁矢
第２卷 第８ ９ 期
文章 编号 ：０６— ３ ８ ２ １ ） ８— ４ １— １０ ９ ４ （０ ２ ０ ０ ０ ０ ４
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２２ 月 ０ 年８ １
永 磁 同步 电 机 无 传 感 器 控 制 系统 的 仿 真 研 究
刘 美侠 ， 孙延 永
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内埋式永磁 同步 电动机 的转子具有 凸极 结构 ， 而高频信号 注
入法正是利用 电机的 凸极 结构 来估计 转子 的磁极 位置 。高 频 电压信号 注入法 的基本原 理是 向电机的定 子绕 组 中注入
一
个对称三相高频旋转 电压 ， 电压矢量在 电机 内产生旋 转磁
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永磁 同步 电动 机数 学模 型
、 ｌｌ Ｊ ＿ 。口 ＇ Ｊ ¨ Ｊ 】 ｌ ｚ
收稿 日 ： １ 一 ｌ １ 期 ２ ２ Ｏ 一３ ０
较精确地建立永 磁 同步 电动机 的数学模 型是进 行 电机
一
４ ０１ —
磁极位置估计 和控 制的基础。为简化计算作 如下假设 ：
１ 引言
永磁 同步电动机 （ ｅ ａ ｅｔ ｇ ｅ Ｓｎｈｏ ｏｓＭｏ ｒ， Ｐ ｒ ｎｎ ｎ ｔ ｙｃｒｎ ｕ ｔ ｓ ｍ Ｍａ ｏ Ｐ Ｓ 无需励磁 电流 、 行效率高等优 点而广泛地应用在交 Ｍ Ｍ） 运 流调 速传 动中 ， 但它 的高性能控制需要精 确的转 子位 置和速 度信 号去实现磁场定 向。在传统 的运动控制 系统 中， 通常采
传统 的传感器为机械式系统成本 高、 可靠性低 的缺点 ， 采用永磁 同步电机控制技术 领域的一种新 的永磁 同步电机转子位置 、
速度估算方法 即高频电压信号注入 法。文 中对高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制技术 的基本原理进行了论述 ，
并采用外差方法得到转子位置和速度估计信息 ， 建立 了永磁 同步电机无传感器矢 量控 制系统 的仿 真模 型 ， 出了仿 真试验 给
用光 电编码器等来 检测 转子的位 置和速度 。然 而 ， 些机械 这 式的传感 器增 加 了系统 的成 本也 降低 了系统 的可靠 性 。无 传感 器控制能够有效 降低位 置传感 器带来 的安 装 、 维护 、 干
转子旋转角频率 ∞ 。如 果 电机 磁路具有 凸极性 ， 么 ， 那 就会 对注入 的高频载波 电压信号产生调 制作 用 ， 制的结果 反映 调 在高频载波 电流 响应 中， 定子电流成为包含 有转子位 置信 使 息 的高频载波 电流 ， 这个 载波 电流解调 后 ， 将 就会 提取 出有 关转子磁极位置 的信 息 ， 以此 来构 成闭环 控制 系统 ， 实现永
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子上的耦合磁链 ；， 为实际的转 子位 置 ； 为 轴 电流 ； ｉ、 Ｐ 为 电机极 对数 ； ∞ 为转子 电磁 角速度 ； 为 电机 机械角速
度（ ｍ＝∞ ／ ； 定 子 相 电 阻 ； ｅ 为 电 机 输 出力 矩 和 ， ，） Ｒ 为 ｔ Ｔ、
从式 （ ） ８ 中可 以看 出， 正相序高频 电流分量 中不包 含任
１ 忽 略 电动 机 铁 心 的饱 和 ； ）
其中 ， 是 高频 注入 电压信号 的幅值 ， ∞ 是高 频注入信号 的
角频率。 那么 ， 电机的定子磁链可 由下式 近似得 出：
＝
２ 不计 电动 机中的涡流和磁滞损耗 ； ）
３ 转 子上没有阻尼绕组 ， ） 永磁体也没有阻尼作用 ；
系 中， 正序 载波信号 就变 成一个 直流值 ， 容易用一 个高 通 很 滤波器滤掉 。故采用 一个 高通 同步 坐标 系滤 波器 （ Ｆ ） Ｓ Ｆ 去
３ 高 频 电压信 号注 入法
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量 耐 的原理 图如 图 １所示。将三相对称 的高频 电压信号加
到电流调节器 的输 出端 ， 可以测得 电机 的电流响应。 由三相 对称 高频 载波 电压 矢量形 成 的电流矢 量包括 正 、 负序分 量 ，
电机凸极 的位 置信 息调 制了高频载波 电流 ， 子的磁极位 置 转 信息只包 含在受调 制的同频 载波 电流 信号的负序分 量 中， 当 载波电流信号转换 到一个 与载 波电压励 磁 同步 的参 考坐标
生 的定子磁链 中包含 了转子位置信息 ， 内埋式永 磁 同步 电 而
动机 的 ｑ轴与 ｄ轴 电感 却有较 明显 的差 值。它 的 ｄ轴 主磁 通穿过两个永磁体 ， 这相当于在直轴磁通路径 上串联两个气 隙， ｇ 主磁通仅穿 过气 隙和铁心 ， 以 ， 而 轴 所 ｇ轴励磁 电感要 明显高 于 ｄ轴励 磁 电感 ， 常 两轴 的 电感 之 比可 达 ３倍 以 通 上 。因此 ， 以采用高频信号注入方式对 内埋式永磁 同步电 可 动机转 子磁极位置的估算。
ＫＥ Ｗ ＯＲ ：ｅｍ ｎｎ ａ ｅ ｓｎ ｈｏｏｓｍ ｔ ； ｉ ｕａ ｏ ；Ｓｎｏｌｓ； ｉｈ￣ ｑ ｅｃ ｊｃｉ ｅ ｏ Ｙ ＤＳ Ｐ ｒ ａｅｔ ｇ ｔ ｙ ｃｒｎｕ ｏｏ Ｓｍ ｌｔ ｎ ｅｓｒ ｓ Ｈ ｇ ｅｕｎｙｉ ｅｔ ｎｍ ｔ ｄ ｍｎ ｒ ｉ ｅ ｎ ｏ ｈ
步 电动机 的转子磁极 位置 估计 ， 具有 很大 的优势 ， 是 因为 这
结果 。仿真结果表明 ， 改进的控 制系统 响应 快 ， 启动 过程 中转矩脉 动小 ， 速上 升平稳 ， 扰动性 能好 ， 良好 的静 、 转 抗 有 动态
性能 。
关键词 ：永磁同步电机 ； 仿真 ； 无传感器 ； 高频注入法
中 图分 类 号 ：Ｍ ５ Ｔ ３１ 文 献标 识 码 ： Ｂ
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４ 反 电 动势 是 正 弦 的 。 ）
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㈤
内埋式永磁同步电动机 在静 止坐标 系 Ｂ
ＡＬ ｓｎ ２ ｉ
一
将式 （ ） ６ 代入到式 （ ） 并简化可得 ： ４ 中，
［ ＝一 ［△ｏ ： ＬＬ２ 】 ＋ｅ０ Ａｓ ｉ
量 ， 以与高频注入 电压相 同 的方 向旋转 ； 二个是 负序分 它 第
量 ， 以与高频注入 电压相反 的方 向旋 转。所以定子 电流矢 它 量可写作 ：
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