永磁同步电机无速度算法--传统脉振方波注入法(1)

一、原理介绍

在高频正弦波注入的PMSM无位置传感器控制方法中，由于得到的电流响应中包含正序和负序分量，因此，需要通过滤波器才能将包含转子位置信息的负序分量得到。然而，滤波器的使用会降低系统的带宽，减慢系统的响应速度，并会影响转子位置估算的精度，当转速升高时，基波和高频注入信号的谐波频率越来越接近，此时需要利用更高阶的滤波器才能使基波电流与高频响应电流分离。 但是，滤波器阶数越高，系统的响应速度就越慢，严重影响系统的稳定性，相位估算滞后越发严重。采用高频方波信号注入的PMSM无位置传感器控制方法，该方法能有效提高系统带宽，由于不需要滤波器就能得到高频响应电流，因此，减弱了相位滞后的问题。

后续将整理传统脉振方波注入法(2)，1和2的主要区别在于传统脉振方波注入法(1)的方波注入频率为开关频率的一半，比如开关频率为10k，方波频率为5k，其波形如下所示：

传统脉振方波注入法(1)中一个方波周期跨越两个开关周期，基波电压存在变化，影响对高频电流信号的分离，并且注入频率只能限制在开关频率的1/2；传统脉振方波注入法(2)其对高频电流的离散和差分电流的计算都需在 1/2 个周期内完成，同时在一个高频注入信号的周期内要保证对电流完成至少两次以上的测量，即电流采样频率至少是注入信号的两倍以上，且对电流采样点有着很高的要求，采样频率、控制装置的资源利用率也会随之提高，而不准确的采样时间又会直接影响到转子位置的估算，从而影响到控制系统的检测精度。

本次仿真在电流分配策略采用了id=0，可以自行替换为MTPA，这部分对无速度传感器算法影响不大。

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

2.3估计转角与实际转角

2.4估计转角与实际转角误差

仿真工况：电机带载零速启动，0s阶跃给定转速100rpm，0.75s增加阶跃负载

2.5给定转速、实际转速和估计转速

2.6估计转角与实际转角误差

仿真工况：电机带载零速启动，0s阶跃给定转速100rpm，0.75s给定转速阶跃至-100rpm

2.7给定转速、实际转速和估计转速

2.8估计转角与实际转角误差

可以看出在给定转速变化以及施加负载时会存在明显的一个转子位置误差，这主要是由于转子位置跟踪器采用了PI调节器（PLL），并且在低速时系统带宽和PLL带宽不能设置较高，导致跟踪阶跃信号存在明显误差。

通过调节PI值可以减小动态误差，调整完的转子位置误差波形如下

但是PI的调节同样会影响稳态时估计值的波动大小。此缺点也可以通过采用其他观测器进行优化，这里不再展开。

仿真中涉及两种误差信号解调方式，分别是从估计旋转坐标轴d^q^和固定两相坐标轴ab。以上波形都是来自从估计旋转坐标轴d^q^，从ab轴解调效果基本一致，不再赘述。