基于高频注入法永磁同步电机控制研究

兖涛， 刘军， 杨明亮， 倪涛

(上海电机学院，上海 200240)

基于高频注入法永磁同步电机控制研究

兖涛， 刘军， 杨明亮， 倪涛

(上海电机学院，上海 200240)

针对永磁同步电机无传感器控制的启动控制问题，即在电机处于低速运行或者静止启动时转子位置难以检测和估算，采用高频注入法实现对永磁同步电机的启动控制，并采用判断响应旋转电流幅值N/S判断方法判断转子极性。利用MATLAB与PSIM联合建模进行了相应的实验仿真。实验仿真结果验证表明：采取旋转高频注入法可以有效地实现永磁同步电机的启动控制，克服了无传感器控制在静止状态的不精确的缺点。

永磁同步电机；无传感器控制；高频信号注入法；PSIM；MATLAB

0 引 言

在电力电子技术、新型电机驱动控制方法和稀土永磁材料的高速发展背景下，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)得到了越来越多的重视，并在各个领域的应用前景愈加广阔。相比传统电励磁同步电机，永磁同步电机的结构简单，损耗较小[1-2]。

在传统的永磁同步电机控制中，电机转子的位置信息或者速度是控制的基础，这就需要在电机的转轴上安装机械式的位置编码器或磁式解码器[3]等传感器元件，这就使得电机在很多工作场合系统可靠性降低，噪声敏感度增强，并且相应的电机成本也会增加，电机本身的结构更加复杂。基于无传感器控制技术的永磁同步电机控制系统，具有体积小，成本低的特点，这也就使永磁同步电机可以在更多的应用领域中得到使用，与此同时，也提高了控制系统的可靠性。

转子位置对于永磁同步电机无传感器控制来说起着至关重要的作用，如果转子位置判断不精确，可能导致电机失步而启动失败，还有可能使得电机反转，造成对控制系统更大的影响。而当永磁同步电机处于静止状态时，采用反电势控制方法时，电机转子的反电势很小，难以检测造成启动失败，人们通过研究提出了高频注入法，利用电机的凸极性[4]，对电机转子初始位置进行精确检测，从而实现永磁同步电机静止启动控制。

文献[5]采用了向电机中注入幅值相同，但方向不同的电压脉冲，检测转子的初始位置，再根据非线性磁化特性判断磁极极性，但是，如果注入电压幅值很大，则在整个检测过程中会使转子发生转动，如果电压幅值很小，则检测到的电流很小，估算精度不够；文献[6]出了基于高频电压注入法的转子初始位置检测方法，通过分析电机定子电流和d轴磁链关系，根据定子铁心非线性磁化特性获得判别N/S极极性的新方法，但此方法判断转子初始位置比较复杂；文献[7]提出了基于瞬态有限元分析的转子位置检测的方法，利用能计和铁心饱和，以及空间高次谐波[8-9]影响的瞬态有限元分析计算方法，能够判断电机转子的位置和永磁极极性，此方法需要电机本身的转子的磁导率等相关资料信息，通用性不强。

1 高频注入法的原理

高频注入法，基本思想是向电机注入一个三相平衡的高频电压(或电流)信号，利用永磁同步电机本身内部磁路的不对称而产生的凸极效应，通过检测电机的响应高频电压(或电流)信号，再分析响应信号来得到电机转子的位置信息[10]。正是因为此原理，不再依赖于传统通过反电势来获取转子位置，也与电机转速无关，能够在电机静止或者低速时准确判断电机转子的位置，而且对电机本身参数变化不敏感。

2 高频激励下PMSM的数学模型

永磁同步电机在dq坐标轴中的数学模型如式(1)表示:

(1)

式中ud、uq、id、iq分别是电机在dq坐标下的电压和电流分量；ωr是电机转子的角速度；ψpm是电机转子永磁体的磁链；Ld、Lq是电机定子在dq轴的电感；Rs是定子电阻。

将式(1)转换到αβ坐标系下，则电机的数学模型为：

(2)

(3)

式中uα、uβ、iα、iβ分别是电机在αβ坐标系下的电压和电流分量；θr是电机转子磁极位置角度；定义共模电感L1=(Ld+Lq)/2，差模电感L2=(Ld-Lq)/2。将式(3)带入到式(2)中得：

(4)

高频信号同样适用于以上的电磁关系公式，高频信号的频率处于基频和PWM载波频率之间，即高频电压频率远大于基频，远小于载波频率。对于高频电压信号[uαuβ]T，上式中的第三项是对高频电流信号求导数，所以其值远大于其他项，故上式可以简化为：

(5)

上式中包含了电机转子的位置信息，高频电压注入法是将高频电压叠加到基频旋转电压矢量之上的，表示为：

(6)

将式(6)带入到式(5)中得到高频电流响应：

(7)

由式(7)可以看出，高频电流响应分为两个部分：(1)旋转速度为2ωr-ωh的反向矢量；(2)旋转速度为ωh的正向矢量。然而，电机转子位置信息θr=ωrt存在于反向旋转矢量之中，响应电流之中包含了基波电流、高频电流和PWM载波频率电流，所以提取响应电流中的反向旋转矢量至关重要。

3 PMSM转子位置信息检测

高频响应电流是随着时间不断变化的，将得到的高频响应电流通过常规的带通滤波器(Band-Pass Filter, BPF)，过滤掉低次谐波电流和基频电流；利用同步轴系高通滤波器(Synchronous Frame Filter, SFF)，过滤掉高频电流中的正序分量，等效于响应电流为：

(8)

此时，高频正序分量已通过高通滤波器滤除，得到负序分量：

(9)

利用外差法得到转子位置的误差信号：

(10)

4 PMSM转子N/S极性检测

图1 永磁同步电机L-θ曲线

图2 转子位置估算流程图

5 高频注入法控制PMSM验证

在PSIM软件中搭建永磁同步电机的模型，电机控制部分采用MATLAB建模，将PSIM与MATLAB相结合的方式。采用空间矢量调制(SVPWM)的方式对PMSM进行控制，选用的PMSM参数如表1所示。

表1 仿真选用PMSM参数

主回路模型选择在PSIM中进行搭建，如图3所示。

图3 PSIM主电路设计

电机的控制模型则在MATLAB中进行搭建，在矢量控制的模型基础之上，将高频正弦和余弦信号加入在IPARK变换前的电压之中，经过IPARK变换产生SVPWM波形输送至PSIM的主电路模块，控制逆变器产生正弦电压控制电机。通过来采样电机的响应电流来判断电机的转子位置；利用电机的电流进行速度的估计作为电机控制的反馈量，将电机电流进行CLARKE变换并送至速度估计模块，并将估计量与实际量作比较。

高频注入的信号的频率的大小要合适，若频率过低，从PMSM数学模型可知电阻的压降的比例会增大，从而影响转子的检测精度；若频率过高，阻抗就会太大，响应电流很小不利于采集，易受其他信号干扰，而且对磁路饱和状况影响不大，凸极效应不会很明显。一般来讲，高频注入的信号频率大约为0.4～1 kHz。 本次仿真采取的高频注入信号频率为500 Hz。

图4 PSIM仿真高频响应电流曲线

图4中电流是进入到PMSM之前的调制信号，此电流信号包含了基波电流、高频注入电流和高频响应电流。因此，从图4中可看出电机运行初，电流波形不再是规则的正弦波电流。将此得到的电流经过第3、4节所分析，经过带阻滤波器、同步轴系高通滤波器，得到含有转子位置信息的响应电流，再进行永磁体极性分析得到转子的实际位置。

仿真电机启动时间长度大约为3 s的转子角度值，如图5所示。从电机转子的实际位置与利用高频注入法估测转子位置的对比图看出，当注入高频旋转电压时，判断转子随机不确定，可能会出现如图5中0.5 s之前的不准确情况，随着不断纠正转子位置，大约0.8 s时刻基本与电机转子实际位置相符。

6 结束语

本文通过分析PMSM在高频激励下的数学模型，分析了PMSM的主磁路饱和度及其对电感大小的影响，对高频注入法在PMSM启动时的转子初始位置检测进行了理论研究，并使用PSIM和MATLAB进行了实验仿真和验证。

(1)在PMSM无传感器控制启动时，利用高频注入法可以准确判断出转子初始位置；

(2)通过高频注入法的电流响应能够方便准确地实现永磁体的N/S极判断；

(3)若与其他控制方法相结合，能够实现PMSM从静止到高速运行的全范围无传感器控制。

[ 1 ] 葛永强，马赫. 基于高频电压信号注入凸极PMSM无传感器控制的仿真研究[J]. 微电机, 2011, 44(9): 41-47

[ 2 ] 刘军，俞金寿. 永磁同步电机控制策略[J]. 上海电机学院学报, 2007, 21(3):180-185.

[ 3 ] M BOUSSAK,许俟峰. 内置式永磁同步电机无传感器速度控制和转子初始位置估计方法的应用及实验研究[J]. 大功率变流技术, 2006,29(3):24-32.

[ 4 ] 贾洪平，贺益康. 基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(15):15-20.

[ 5 ] 梁艳，李永东. 无传感器永磁同步电机矢量控制中转子初始位置的估算方法[J]. 电工技术杂志, 2003,22(2):10-13.

[ 6 ] 蔡名飞，周元钧. 基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测[J]. 电力电子, 2011,9(2):21-24.

[ 7 ] 刘慧娟，傅为农. 基于瞬态有限元永磁同步电机静止位置检测策略[J]. 北京交通大学学报, 2012, 36(5):1-6.

[ 8 ] FU W N, ZHOU P, LIN D, et al. Modeling of solid conductors in two-dimensional transient finite- element analysis and its application to electric machines[J]. IEEE Trans Magn, 2004, 40(2): 426-434.

[ 9 ] FU W N, LIU Z J, BI C. A dynamic model of the disk drive spindle motor and its applications[J]. IEEE Trans Magn, 2002, 38(2): 973-976.

[10] 王子辉，叶云岳. 反电势算法的永磁同步电机无位置传感器自启动过程[J]. 电机与控制学报 2011,15(10):36-42.

A Study on PMSM Control Based on High Frequency Injection

YAN Tao, LIU Jun, YANG Ming-liang,NI Tao

(Shanghai Motor College, Shanghai, 200240, China)

With respect to the PMSM motor’s sensorless start-up control problem that the rotor position is difficult to detect and estimate for a motor running at a low speed or during its start-up, high frequency injection is used to achieve PMSM start-up control. Furthermore, the polarity of the motor is determined by judging responding rotation current value N/S. MATLAB and PSIM are adopted to establish the mode for experimental simulation, and the result shows that rotation HF injection can effectively realize PMSM start-up control, thus overcoming the disadvantage of inaccuracy of sensorless control under the static condition.

PMSM; sensorless control;HF signal injection; PSIM; MATLAB

上海市教委重点学科电力电子传动项目(J51901);上海电机学院创新项目(12c406)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.03.003

TM351

A

1000-3886(2015)03-0007-03

兖涛(1990-)，男，硕士，研究方向：电机控制研究。 刘军(1965-)，男，博士，教授，研究方向：电机智能控制、微机控制技术。

定稿日期: 2014-07-31