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伪随机码的比较研究高频信号注入方案无传感器IPMSM驱动器
Gaolin Wang, Member, IEEE, Lei Yang, Guoqiang Zhang, Xueguang Zhang, Member, IEEE,
and Dianguo Xu, Senior Member, IEEE
摘要 - 传统的固定频率信号被采用基于高频（HF）信号注入的无传感器控制
内置永磁同步电机的方案(IPMSM）驱动器，这会导致重大的电磁和电磁干扰
声学噪音。为了减少额外的噪音，在本文中，对一种新的伪随机HF（PRHF）信号注入方法进行了研究。功率谱密度的比较分析的感应HF电流在三种不同的电流之间进行方案：固定频率HF，全周期开关（FPS）PRHF，和半周期开（HPS）PRHF方波电压注入。三者的原理和光谱特征描述了PRHF注射方案。理论分析
给出了实验结果，与实验结果相吻合。频率确定的理论基础被呈现。光谱性能的比较表明HPS-PRHF方案具有连续谱和电磁波并且可以显着抑制声学噪声。该
方法通过一个2.2 kW的IPMSM驱动平台进行验证。
索引术语 - 高频注射，内部永久磁体同步电机（IPMSM），噪声，位置估计
功率谱密度，伪随机信号注入。
一．导言
永磁同步电机（PMSM）因其良好的表现而受到很多研究关注，如高能量密度，高效率和高可靠性[1] - [4]。 对于永磁同步电机的磁场定向控制，转子位置信息是必要的。 但是，机械位置传感器导致成本和系统尺寸的增加
随着可靠性和坚固性的降低。因此，在过去的几十年里，已经研究了永磁同步电机的无传感器控制技术。如今，其中一个重要问题无传感器控制是如何更好满足现代工业的应用。
永磁同步电机驱动的无传感器控制方法可根据操作速度范围分为两大类。第一种是基于后面的估计电动势[ 5 ] [ 11 ]。考虑到后面电动势与电机转速成正比，这些方法被利用。在中高速地区。在低速区，可以使用高频（HF）信号注入方法[ 12 ] [ 16 ]。这些方法可以估计转子位置。通过跟踪转子凸极。因此，他们通常是适用于具有主导性的内部永磁同步电机（IPMSM）凸极。结合位置估计的混合位置估计策略两种不同的方法可以实现全速度范围的无传感器操作[ 17 ]，[ 18 ]。
但是，会产生额外的电磁噪音到感应的高频电流分量。 这会产生很高的
电磁干扰（EMI）并影响附近的电子设备。 HF注入方法的另一个问题，
由于感应的HF电流引起的声学噪声的增加导致振动并且注入的频率在音频内
范围。电机产生的声音不舒服并听到何时注入一个固定频率的高频信号，
这使得无传感器控制方案在应用中受到限制，特别是在家用电器中。 所以呢
应考虑电磁和噪声问题。在HF信号注入方法中才能满足实际应用的要求。 许多努力一直为此目的[19] - [27]。
降低注入信号的幅度是可行的办法。为了从低位提取位置信息信噪比信号是一种基于FPGA的策略采用Delta-Sigma A / D转换器和过采样技术被引入[19]，[20].通过合适的低通设计抽取滤波器，高性能高频注入无传感器.可以实现低噪音的控制。 在[21]中，提出了调整注入信号幅度的方法。注入电压的幅度增加
瞬态和稳态下降。通过这种方式，以减少噪音。
另一种解决方案是增加注入频率。 一个注入方案的频率高于脉宽调制（PWM）开关频率降低[22]中的可闻噪声。但是，这个方案不能减少电磁噪声和附加电路
需要插入变频器和电机之间。 在[23]，一个频率等于的电压信号注入策略提出了PWM开关频率。 动态的性能增强和噪声衰减可以取得成就。 通常在实际应用中，开关频率的IGBT不超过考虑的音频区域开关损耗。
另外，基于低频信号注入的方法这些年被引入。低频信号注入可以避免HF噪音，但会带来一些新问题包括电流控制性能的退化和复杂的位置估计器的设计。 低频电流注射法是在[24]中提出的。除了基频电流控制器，两套谐波目前的积分控制器被用于电流注入和信号分离。 在[25]中，低频电压注入计划被记录在案。 基于模型的估计方法是用来代替滤波器来分离HF信号和基波信号。 因此，需要精确的参数以及该方案对参数变化很敏感。
最近，另一个有前途的解决方案用来减少电磁波和使用随机HF（RHF）信号的声学噪声注入法已经被引入[26]，[27]。 这些方法采用随机脉宽调制的思想，其中已被广泛应用于功率转换器[28]，[29]。两个或更多固定频率和固定幅度的信号随机选择并注入定子。 这样，感应电流的频谱可以被延长，这将减少噪声。 但是，RHF信号的基础注入理论尚未完全建立，尤其是在注入频率组合方法的阐述。
本文对伪随机进行了比较研究高频（PRHF）方波电压注入方案以提供更低的噪音生产的最佳注入方案。 新型注入方案的原则称为全周期开关（FPS）PRHF和半周期开关（HPS）PRHF。 然后，这两PRHF注入方案的光谱特性与固定频率注入方案比较。无论是理论还是实验比较三种喷射方案中的当前PSD。实验结果与理论一致分析结果。因此，如果使用所提出的频率确定方法，HF电流的谱峰可以被消除。使用一个2.2 kW的IPMSM驱动平台来验证结论。
二．PRHF方波电压注入式无传感器控制策略
图1. PRHF方波电压注入方法的框图
IPMSM可以在转子参考框架中建模为
(1)
其中和是定子电压和电流，是定子电阻，和是定子电感，是
电角速度，是联动磁通量。如果注入的信号频率远远高于基频，IPMSM在低速运行时的HF模型可简化为:
= (2)
下标“h”表示高频分量。当高频电流注入到转子参考估计的d轴帧，感应HF电流可以表示为:
=
(3)
其中 是参考帧变换矩阵，
并且（-）是估计的位置误差。 根据（2）和（3），固定频率和PRHF电压注入可以被分析。可以采用两种PRHF电压注入方案：FPS-PRHF和HPS-PRHF电压注入。
图1显示了PRHF方波电压注入的框图。 用于注入和解调的两个正交方波信号在PRHF信号发生器中产生。 注入的信号被添加到电流调节器的输出，并且解调信号被用于信号处理中用于位置提取。 基本部分和PRHF部件都包含在定子电流中。 由低通滤波器得到的前者被用作电流调节器的反馈。 包含转子位置信息的后者由高通滤波器提取，然后用于位置估计。 在转子参考系估计的q轴上的感应PRHF电流乘以解调信号以获得等效位置误差信号。 通过用Luenberger或锁相环观察器将位置误差控制为零，可以获得转子位置。
所提出的PRHF电压注入方法可以通过扩展感应电流的功率谱来对降低噪声做出贡献。 下面介绍两种PRHF注入技术和用于提取转子位置的相应信号处理方法。
A. FPS-PRHF电压注入
FPS-PRHF电压注入方案是将随机频率电压信号注入估计的d轴。 两个固定频率和固定幅度的方波电压信号每整个周期随机选择一次。 图2（a）和（b）说明了两个单周期电压信号及其感应电流。 参数T1和T2分别表示注入信号的周期，对应的频率分别为f1和f2。 两种频率之间的电流幅度应保证相同。 根据（2），电流是注入电压的积分。 因此，电压的伏秒面积应该是相同的。 将单位面积方波函数定义为：
（4）
单位幅度锯齿波函数：
(5)
关系可以得到：参数 D1和D2分别表示正电压和负电压的持续时间。 对于FPS-PRHF电压注入方案，在估计的d轴上注入的PRHF电压可写为：
（6）
其中tk表示注入电压的第k个周期，Vh是注入电压的大小。 运算符R []表示括号中的随机选择。 如果使用（6），q轴上的感应PRHF电流可以计算为:
注意信号irqshcirc; (t)在零附近波动，并且幅度随位置误差而变化。 当接近零时，与成正比。 因此，它包含等价的位置误差信息。 通过与和解调信号相乘，可以获得等效位置误差信号.
(8)
B. HPS-PRHF电压注入
与FPS-PRHF电压注入类似，HPS-PRHF方案也从两种固定频率和固定幅度的方波电压信号中进行选择。 然后，它将PRHF电压信号注入估计的d轴。 区别在于，不是每个整个周期，而是每个半周期，信号从一个切换到另一个。 它可以等同于图2（a） - （d）所示的四种电压模式的随机组合。 在HPS-PRHF方案中，注入的PRHF电压可以表示为:
通过将电压信号（9）注入估计的d轴，q轴上的感应电流可以表示为:
(10)
HPS-PRHF方案中的解调信号和等效位置误差信号ε可以得到:
(11)
通过与解调信号phi;HPS相乘，可以得到等效的位置误差。然后通过将误差控制为零来估计转子位置。
三.HF电流的光谱特性
功率谱密度是信号自相关的傅里叶变换，是随机信号分析的重要工具。 在本节中，分析了三种不同注入方案（固定频率HF，FPS-PRHF和HPS-PRHF方波电压注入）中的电流PSD。实验部分给出理论分析结果和实际结果。
A.固定频率的高频电压注入方案
图3显示了固定频率电压注入时的HF电压和电流波形。 为了简化分析，假定固定频率的HF方波电压被注入到实际的d轴中，并且感应电流可以表示为： （12）
图2.四种电压注入模式和相应的电流
图3.固定频率电压注入时的注入电压和感应电流
这里讨论单位幅值电流。固定频率电流的PSD可以计算为：
其中n（0,1,2,3 ...）是整数，并且ID1 , D2 (f)是电流的一个周期的傅里叶变换
（14）
从（13）中可以看出，只包含离散谐波分量。 通常，在固定频率的电压注入中，正电压和负电压具有相同的持续时间D1 = D2 = T / 2，并且（14）可以转换成：
通过将f = n / T代入（15），可以得到以下结果：
（16）
从式（16）的结果可以得出结论：在固定频率方波电压注入方案中，当前PSD中只包含离散谐波。 此外，它集中在注入信号的频率及其奇数倍。
B. FPS-PRHF电压注入方案
图4显示了使用FPS-PRHF电压注入的PRHF电压和电流。 感应电流是一系列连续的随机频率锯齿波电流。
（17）
根据[30]，PRHF电流的PSD结果S（f）（17）可以计算如下：
（18）
（19）
图4. FPS-PRHF电压注入时的注入电压和感应电流
其中E []表示数学期望算子。PSD的表达由两部分组成：连续谱（18）和分离谱（19）。如果信号是独立的分量，则分布过于集中。离散的谐波会导致频谱峰值，这意味着可怕的噪音。与离散谐波相比，期望连续分量。 因此，降噪的关键问题是消除分立元件。从（19）中，离散谐波可呈现在其中，f满足下述条件的点：
设f表示（20）的根。并且PFPS = [p1 p2]是概率矩阵，p1和p2分别是图1（a）和（b）中注入模式的概率。此外，如果满足方程:
(21)
谱峰将出现
考虑到ej2pi;fT1和ej2pi;fT2都小于或等于1，如果（20）成立，则以下语句是等价的：
1）等式ej2pi;fT1= ej2pi;fT2= 1满足。
2）fT1和fT2都是整数。
3）f是f1和f2的公倍数。
f1和f2之间的比例是
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