永磁同步电机无速度算法--脉振正弦注入法

一、原理介绍

为获得电机转子位置，实现对电机的控制，目前应用较多的是反电动势法，其优点是线路简单、技术成熟、成本低、实现起来相对容易。但这种方法在起动或低速时，由于反电动势没有或很小，而无法检测出。另外，这种方法是假定忽略电枢反应影响的前提下应用的，在实际中存在一定的误差。由于这类无传感器控制技术的电动机调速精度不高，可以正常工作的速度范围小，影响了这类方法的应用。高频信号注入法的提出解决了电动机在低速或零速时转子位置检测精确度不高的问题。其基本思想是，利用信号调制与解调的原理，在电机定子绕组上注入幅值较小的高频信号，和原驱动信号进行调制，然后检测定子绕组中响应的信号，并通过坐标变换提取出其中与转子位置有关的信息，把高频小信号解调出来，由于此信号包含有电机转子位置信息，因此，把此信息送人位置观测器中，最终能估测出转子的位置。

脉振高频电压信号注人法只在估计的同步速旋转坐标系中的直轴上注入高频正弦电压信号，所以注入信号在静止坐标系中是一个脉振的高频电压信号，然后对交轴高频电流进行幅值调制后作为转子位置跟踪观测器的输入信号，以此获得转子的位置和速度

二、仿真模型

在MATLAB/simulink里面验证所提算法，搭建仿真。采用和实验中一致的控制周期1e-4，电机部分计算周期为1e-6。仿真模型如下所示：

仿真工况：电机空载零速启动，0s阶跃给定转速100rpm，0.5s阶跃给定转速200rpm，1s阶跃给定转速300rpm

2.1给定转速、实际转速和估计转速

2.2估计转速与实际转速误差

从图中可以看出，稳态转速误差基本稳定在10rpm以内，而在加速过程中，由于低速系统带宽低、HFPVI中滤波器的引入不可避免的导致跟踪阶跃信号过程中会有滞后。

2.3估计转角与实际转角

2.4估计转角与实际转角误差

在角度误差方面，稳态误差非常小，基本在0.02rad之间，而缺点仍然是动态效果略差，不过对于动态时间短，对电机稳定运行影响不大。

2.5 dq轴给定电压

可以看出高频电压基本出现在d轴，而q轴上的波动，则是由于IPMSM电磁转矩中存在id，那么电磁转矩也会存在一定的高频分量导致电机转速波动，进而影响iq给定，最后反应在uq给定上。

仿真工况：电机空载零速启动，0s阶跃给定转速100rpm，0.5s施加负载

2.6给定转速、实际转速和估计转速

2.7估计转角与实际转角误差

在低速施加负载时，电机可以维持稳定。但也可以看出系统恢复稳定相比中高速的无速度方法需要的时间较长，这是由于对低速工况转速电流双环带宽进行了人为的降低。

总的来说，采用脉动高频电压信号注入法的转子位置白检测系统结构较为简单，无需对转子位置估算角度进行补偿，跟踪精度高，静态和动态性能更好，特别适合于凸极率较小的永磁同步电机中。