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基于载波信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制
翻译人：李武 电气1403 0121411370611
摘要
本文研究了不对称机参数对载波信号注入的永磁同步电机无速度传感器控制的影响（PMSM）。无论是旋转或脉动信号注入，二次谐波位置误差都是由于参数不对称引起的。另外，对于两个载波，电阻不对称的二次谐波误差是不同的，但对于电感不对称是相同的。为了抑制位置误差，讨论了电阻不对称的载波信号选择准则，同时考虑到电感不对称，提出了双频注入的在线补偿策略。最后，在理论分析和所提出的补偿方法是通过实验验证室内PM（IPM）加相电阻/电感机模拟不对称条件。
指数——对称，载波信号注入，双频注入，永磁同步电机（PMSM），无位置传感器控制。
I.介绍
由于效率高、扭矩/功率密度的特点，永磁同步电机（PMSM）被广泛应用在许多工业应用。准确的转子位置是永磁同步电机驱动高性能控制的关键。通常，转子的位置是通过显式位置传感器，例如，编码器和旋转变压器，同时引起成本增加、体积、可靠性等问题，因此，无位置传感器控制交流电机已经持续了几十年–[ 32 ] [ 1 ]。基本上，无位置传感器控制的原理可分为反电势检测和机器显著跟踪。虽然反电动势中的转子位置估计方法提供了卓越的业绩和高速区[ 1 ]–[ 5 ]，但是不能保持性能在零和低速区。另外，离散的电压脉冲[ 6 ]，–PWM [ 7 ] [ 9 ]，或基于传感器的方法[ 10 ]–[ 29 ]。连续载波电压注入是利用其有效性在静止和低速性能优良。具体而言，对于载波信号注入方法，它们可分为站上参考帧[ 10 ] [ 22 ]中的旋转信号注入，和静止参考帧[ 30 ]和估计同步参考帧[ 14 ] ]的脉动信号注入，分别为29。
已经进行了广泛的调查，以提高基于载波信号注入的无传感器方法的精度，例如，磁饱和[ 16 ] [ 19 ]，[ 27 ]，[ 28 ]，逆变器非线性[ 12 ]，[ 13 ]和电阻[ 14 ]，[ 15 ]的分析。此外，为了突出载体注入方法的有效性，本文对各向异性比[ 18 ] [ 19 ]，可行域，和传感器的安全工作区（SSOA）[ 20 ]分别进行了介绍。
目前，对载波信号注入方法的研究大多认为机器参数对称[ 11 ]–[ 13 ]、[ 15 ]–[ 29 ]。然而，实际上三相不平衡PM机器经常出现，导致机器参数不对称。具体来说，布线，逆变器，或定子绕组不对称可能导致性[ 14 ]，而电感不对称可能来自粗糙机械制造、机偏心、绕组故障[ 10 ]，此外，很少研究除了在[ 10 ]和[ 14 ]是机器不对称的位置估计精度的影响。在[ 14 ]，相电阻不对称被认为，这表明二次谐波误差的产生是由于电阻不对称。然而，没有讨论旋转、脉动信号注入以及电感不对称的影响之间的详细比较等。在[ 10 ]中，作者提出了平稳显著性的分析，即电感不对称性，而细节，例如，分析位置误差表达式，两个载波注入方法的比较，以及不给予在线补偿策略。
因此，本文将详细介绍考虑机械参数不对称的双载流子注入方法的详细建模、比较和补偿策略。结果表明，无论是相位电阻或电感不对称，二次谐波位置误差产生无论载波注入方法。值得注意的是，二次谐波误差更难以被位置观测器带宽所抑制，而不是由逆变器非线性或多个显著效应引起的第六谐波误差[ 10 ]，[ 12 ]，[ 13 ]，因为它们更接近基频。为了抑制第二位置误差，将给出电阻不对称的载波信号选择准则，而对于电感不对称，还提出了双频注入的新的在线补偿策略。最后，通过样机试验验证了转子位置估计参数不对称性的理论分析和补偿效果。
II.机器参数不对称的参数模型
- 电阻不对称对载波信号注入方法的影响
实际上，由于电缆、逆变器或定子绕组可能产生相电阻不对称[ 14 ]。高频率的永磁同步电机模型在d q轴同步参考坐标可以表示为
在Ld和Lq是高频增量d、q轴自感；Ldq和Lqd 与d /q轴互电感磁饱和效应有关；Rq，和Rdq是转化d /q轴电阻由于电阻不对称,如下
这里Ra-c是三相电阻。值得注意的是，在同步参考帧的实际轴正好与PMS同步（图1）。然后，用坐标变换从实际同步参考坐标来估计同步参考坐标，（1）可以进一步衍生为
这里
图1，不同坐标系
进一步，假设脉动电压注入估计同步直[ 27 ]，从（1）至（4），载波电流可以得到
应当指出，从（7），第一象限相移ϕ是由于相电阻的存在，而第二象限ϕD与信号处理的延迟有关，例如，PWM更新延迟或电流传感电路延迟，已在[ 22 ] [ 24 ]报道。应该指出的是，PWM实现单更新模式的运用，以及将双更新PWM模式进一步比较调研究作为未来的工作[ 33 ]。通常情况下，由于载波电流信号为脉冲信号幅度调制的注入显着性，延迟角ϕ在不影响平衡的条件[ 22 ]下进行位置估计。然而，在电阻不对称条件下，相移ϕ可以在很大程度上影响的位置估计的性能将分析如下。
从（5），通过信号解调为q轴电流估计载波如下
然后，根据（8），用位置跟踪观测器，将不对称部分建模为干扰，得到具有不对称电阻的脉动注入的位置估计误差。
图2考虑机器参数不对称的位置跟踪观测器（K1和K2是等效增益）
从（9），由于rdq和rdif在（2）的第二谐波由于三相电阻不对称，他们不产生的平均估计误差而是第二振荡误差，然后（9）可简化为
在delta;r提出了相位角不同的电阻不对称条件下。
同样地，对于旋转信号注入，可以在静止参考帧中获得的载波电流响应总结如下
这里 theta;m1 = arctan(minus;rdq /rdif)，theta;m = arctan(minus;Ldq /Ldif),。然后，用信号解调，合成载波信号可以表示为
因此，可以得到具有不对称电阻的旋转注入的位置估计误差。
类似于（9）和（10），（13）可以简化为
因此，从上述推导出来的不对称性相电阻（10）和（14），可以看出，二次谐波位置误差产生的两个载流子注入方法。此外，从（9）、（10）、（13）、和（14）中，注意到由于不同位置估计机制和信号解调处理[ 16 ]，两个载波的二次谐波误差幅度不同，[ 17 ]。具体来说，电阻不对称，对脉动注入第二误差幅度调制的相位ϕ在（7），旋转注入与ϕ无关。详细的实验比较将在第四节中给出。
B.电感不对称对载波信号注入方法的影响
实际上，电感不对称可能源于粗机械制造、机器偏心、绕组故障[ 10 ]等。首先，假设单相自感不平衡，电感矩阵可以表示为
其中L表示自感的不对称部分。用坐标变换，在d / q轴电感可以表示为
因此，通过从（3）、（15）、和（16）忽略相位电阻的载流子电流可以是得到的。
因此，可以得到脉动注入单相电感不对称的位置误差。
其中delta;L表示不同电感下的相位角。不对称条件。同样，三位的位置误差-脉冲注入的相位电感不对称获取为(20)，显示在页面底部，其中M表示互感的不对称部分，A-C期I=1~3.
然后，对于旋转信号注入，可以得到具有单相电感不对称的载流子电流。
同样，根据(12)-(14)，旋转注入可以导出为
对于单相电感不对称和(23)，如在页面底部，对于三相电感不对称，各自地,因此，从上述导子的电感不对称中，在(19)、(20)、(22)和(23)中，注意到了二次谐波对于两个载流子注入，位置误差是完全相同的方法。此外，与电阻不对称不同。在(10)和(14)中，电感不对称的第二个误差与载流子注入频率无关，也与ϕ无关。从(18)-(20)(22)和(23)中可以看到。本文将给出实验性验证上述理论分析的结果。另外在第四节，为了抑制二次谐波的位置由于机器参数不对称造成的误差，预计对于(10)和(14)中的电阻不对称，只需选择适当的载流子注入频率，振荡误差基本上减少了。而对于电感不对称，它提出了双频注入策略。本文将在第三节中进行详细分析。它应从(10)、(14)、(19)及(22)中注明，如机器参数不对称的百分之几很小，由此产生的振荡误差也可以忽略不计，因此，不一定需要位置误差抑制。实际上，
机器参数不对称的百分比可以确定开采产生不可接受的振荡位置误差。例如，通过对于电感不对称，从(19)和(22)，二次谐波误差描述为
假设二次谐波误差超过2度，要求位置误差抑制，因此，可以导出
对于原型直流电动机，L dif=10.65 mh(参见(附录)，因此，不对称电感
Lc能够被理论计算为2.23 MH从（24），即4%的平均相电感（lavg = 54.85 MH；见附件）。类似的推导也可以完全地应用于例性不对称 .
B1振荡位置误差的抑制 由于机器参数不对称
根据上述分析，如果机器参数不对称超过一定百分比，摆位误差将变得难以忍受，因此，位置误差抑制得到满足。 本节将介绍HODS。
首先，由于阻力不对称，从(10)和(14)，理由,载波信号的可声注入频率范围可以是决心抑制二次谐波误差。假设第二误差受plusmn;2电约束度，载频应满足
用于脉冲信号注入，以及
分别用于旋转信号注入。然后，用(7)，(24)可以表示为
对于简化(26)的分析，它是不容易解决的。和上限注入频繁性可以确定，即
然后，将注入频率范围求解为
图3在dq-轴平面上(fPWM=10 kHz，Dracg=8Omega;，注入频率最佳。
- 注入频率上限：在较高的注入频率下，数字延迟d占主导地位，而角的电阻部分(7)可以忽略。对于sim-plity，假设d是 主要是由单拍PWM更新延迟引起的相移，即d=omega;h/ffw m(ffw m是PWM开关频率)，由此可以推断出
其中x=omega;h/fPWM。因为tan(X)/x函数是一个单函数，当0lt;xlt;pi;/2，上限时的补强增函数，然后，可以根据(31)确定载波频率。因此，对于具有不对称电阻的脉动注入，也不能选择载波注入频率很大或很小，并且存在一个最佳频率。使二次谐波误差为零，即从(7)
与 (26),
因此，从(32)开始，最佳注入频率可以是
从(33)中可以看出，最优注入频率是由机器参数决定的，这些参数随后受机器负载、温度等、[14]、[27]等因素的影响。通过测试的方式 从理论上计算了不同载荷条件下的IMAL注入频率，如图所示。3(dq-平面的电感在附录中给出)。可以观察到两个d-a Nd Q轴饱和导致最佳注入频率增加.。因此，在不同负荷下的最佳损伤频率可以存储在一个查找表(LUT)中，以供实际使用。
图 4
图5
对于旋转注入，可以很容易地得到(27)的合理载频范围。
应该注意的是，载波频率的选择(29)-(34)中的原理只考虑非对称效应。实际上，其他因素，如估计带宽，噪声而损失等，应考虑在内[32]
B电感不对称的位置误差抑制
另一方面，由于电感不对称，在线提出了双频注入补偿策略在这篇论文里。例如，旋转信号注入在单相电感不对称的情况下，从(21)开始，负极序列载波电流可以表示为
从(35)中注意到，电感不对称引起的附加部分是直流分量，而(33)振幅仅与U/omega;h之比有关。因此，如果注入双频载波信号，即
其中U /omega;H = U1 /omega;H1，由此产生的负序电流可作为载体
图6
通过信号解调处理，可以将载波信号进一步表示为
由于注入的第二频率(omega;H1)信号仅用于对电感不对称的误差补偿，因此lp F2的截止频率可以选择比lp F1低得多的选择，即： （39）可以表示为
与（35）相比，可以看出：（41）提出的补偿策略在很大程度上抑制了不对称分量。应该指出的是，由于添加LPF2仅用于 对于第二频率(omega;H2)载波信号，主位置估计环路的带宽不受影响。电感不对称复合旋转信号损伤的框图 如图所示。4.。此外，在注入双频信号时，由于涡流效应，应考虑注入频率对机器导纳的影响。 31)。由于层状钢的存在，注入频率对电感的影响可以忽略不计[31]，因此(36)-(41)的理论推导是合理的。
同样，对于脉冲信号注入，双频信号被注入如下
因此，载流子电流可以表示为
然后，信号解调可以表示为
其中IM表示估计的d/q轴载流子电流分量的虚部。从(42)-(44)中的导子可以看出脉动
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