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通过将高频脉冲载波信号注入到估计的固定频率旋转坐标系中的永磁同步电机无传感器控制
摘要：对于永磁同步电机无传感器控制，广泛采用的高频脉动载波信号注入方法是基于跟踪转子的显着性。它可能面临着收敛时间长，潜在启动失败，系统稳定性有限的问题。与传统方案不同，所提出的策略是直接估计方法。其中，将高频脉动载波电压注入到估计的固定频率旋转参考系中，而不是估计的同步参考系。采用这种方法，去除了传统无传感器控制所需的空间显着性跟踪观测器，简化了控制结构，提高了系统的稳定性。此外，转子位置信息直接从注入的高频脉动载波信号的响应中获得，避免了跟踪观测器潜在的收敛失效。此外，推导了无传感器控制策略中存在的系统时滞补偿，提高了转子位置估计的准确性。对于磁极性检测，还研究了具有高信噪比和低振动的新方法。最后，永磁同步电动机的实验结果表明，利用所提出的无传感器控制策略，可以准确获得具有良好稳态和动态性能的转子位置。
关键词：固定频率；高频脉冲载波信号注入；永磁同步电机；无传感器
- 导言
永磁同步电机由于其高转矩密度，功率密度和效率而被广泛应用。为了实现永磁同步电机的磁场定向控制，需要转子位置和相电流的信息。通常，转子位置是由机械传感器获得的。然而，这些传感器带来若干缺点，例如额外费用，轴向尺寸，可靠性低，并且抗噪性。因此，很多文献关注转子位置估计来实现无传感器控制[1] - [10]，[26]。
无传感器控制技术可以粗略地分为两类：基于基本模型和机器显着性的技术。无传感器控制技术可以粗略地分为两类：基于基本模型和机器显着性的技术。基于基本模型的方法可以进一步深入到基于反电动势的方案[3]，[6] - [8]和基于磁链的方案[9]。这些方法虽然简单易操作，在中高速地区有良好的表现，但通常都会遇到启动问题。对于基于机器显着性的方法，必须注入额外的高频信号以产生包含转子位置信息的响应。根据注入信号的类型，它们可以大致分为静止参考系上的旋转注射[10] - [14]和估计同步参考系上的脉动注射[12] - [19]。 零或低速无传感器控制的能力使这些方法非常有吸引力。
在文献[12] - [14]中比较了两种注入方案。脉冲注入法更精确[12]，对功率器件死区时间效应不敏感[14]。所以，脉动注射法已经引起了广泛的关注。在文献[15]中，引入了无传感器安全操作区，同时考虑了模拟到数字转换中的量化误差。在无传感器安全操作区内工作时，无传感器操作的性能可以得到保证。文献[16]中给出了一个具有正常分布式绕组的横向层叠磁阻同步电机的有效高频模型，它可以深入了解同步电机的高频行为，并且可以作为实现稳健和稳定位置估计的实用指南在低速和零速度。在文献[17]中提出了一种零位低速无传感器运行的电流-电源-转换器供电IPM驱动的无传感器方法，该方法增强了注入信号的动态响应，防止了注入信号的任何钳位。为了解决SPMSM无传感器控制中的一个具体问题，基于多重机器的特性，文献[18]中提出了一种多信号注入方法。在文献[19]中，分析了延迟和定子电阻的影响。发现一个小的未补偿的延迟角在转子位置估计中导致相当大的误差角。在这种情况下，跟踪观察器可能变得不稳定并且失去跟踪转子位置的效率。在文献[20]中，提出了一种将高频脉动载波信号注入静止参考系的新型无传感器控制策略。特别是在文献[21]中，一种无传感器的矢量控制方法是通过空间旋转的高频电压注入的独特的椭圆形来实现的。提出了一种新的锁相环（PLL）方法作为解调方法，其输入是高频电流分量相乘信号。利用这两项创新的调制/解调技术，在额定电动或再生负载下，可以从零到额定速度运行。此外，它对于逆变器死区时间非常有效。
总结现有文献，针对基于高频注入的无位置传感器控制方法，“跟踪方法”被广泛应用于从位置相关的载波信号响应中估计转子位置，如果估计的同步参考系能够在实际的同步参考系上对齐，则是有效的。但是它们可能面临着收敛时间长，潜在启动失败，系统稳定性有限等问题。本文提出了一种在注入固定频率旋转坐标系中使用注入脉动高频电压的策略，而不是跟踪方法。然后，可以从注入的高频载波信号的响应中直接提取转子位置信息。然而，估计的转子位置具有pi;的角度模糊度，因为机器显着性在单个电气周期中经历两个周期。因此，为了精确地获得转子位置，提出了一种沿着估计的转子位置方向注入高频载波电压的新的磁极性检测方法。这种磁极性检测方法具有信噪比高，操作简单的优点。 最后，实验结果表明，利用所提出的无传感器控制策略，可以准确地获得具有良好稳态和动态性能的转子位置。
本文组织如下。在第二节中，分析了传统的脉动高频载波注入法。所提出的无传感器策略的过程在第三节中进行了详细的分析和描述。此外，还讨论了系统延迟和定子电阻的补偿。基于机器的磁饱和效应，第四部分介绍了一种简单可靠的磁极性检测方法。在第五节中，实验结果验证了所提出的无传感器控制策略和磁极性检测方法的有效性。结论在最后一节中提出。
- 传统的高频脉冲载波信号注入法
d-q同步参考系中永磁同步电机的基本模型可以用式（1a）描述。omega;rPsi;pm表示由磁通量变化率引起的反电动势。当转子转速较低且注入频率远高于当前基频时，反电动势过小，可以忽略。因此，低速永磁同步电机的基本模型可以被认为是一个简单的R-L负载，d-q同步参考系中的电压方程可以用式（1b）描述。
其中Vd，Vq，id，iq，rd，rq，Ld，Lq，omega;r，Psi;pm和d/dt分别为转子磁铁的d轴电压，q轴电压，d轴电流，q轴电流，d轴电阻，q轴电阻，d轴电感，q轴电感，转子转速，无定子电流转子磁链的磁链，以及微分算子。rd和rs通常是相等的，标记为rs。
在式（2）中描述的脉动电压矢量被注入估计的d轴。
上标and;表示估计的同步参考系；omega;c和Vc分别是注入电压矢量的频率和幅度。感应的高频电流可以推导如下：
在（3）中，Delta;theta;是估计的d轴和实际的d轴之间的估计误差。Ip，In，和是与rd，rq，Ld，Lq，Vc和omega;c相关的常数值。方程（3）表明，当估计的同步参考系 -接近实际的同步参考系d-q时，估计的q轴上的感应电流将为零。
估计的q轴电流乘以假设同步信号cos(omega;ct)。之后，使用低通滤波器来获得转子位置估计误差信号ε如（4）
最后，通过信号处理算法（如PLL和观测器）将ε调整到零可以获得转子位置theta;。然而，从（4）可以看出，Delta;theta;有四个可能的值（0,pi;/2,pi;,3pi;/2）使ε接近零。跟踪观测器的Delta;theta;的模糊性可能会带来较长的收敛时间或潜在的收敛失败。跟踪观测器的收敛失败会导致启动失败，进而导致系统不稳定。此外，由于跟踪方法中存在附加闭环，因此需要精心设计附加闭环的适当参数，以保证系统的稳定性，增加系统的复杂度。传统的信号处理算法是基于“跟踪方法”。“跟踪方法”的原理是使用估计的角度来跟踪实际的转子位置theta;，如图1（a）所示。theta;与d-q同步频率omega;r有关，与-估计同步频率有关。为了便于分析，常规信号处理算法中三个频率的关系如图1（b）所示。当转子处于零速或低速时，同步频率omega;r和估计的同步频率远低于喷射频率omega;c。因此omega;c可以通过一个低通滤波器与omega;r和解耦。图1（b）中的频率轴可以根据低通滤波器omega;0的截止频率划分为保留部分I和滤波部分II。由于omega;r和是近似的并且在常规的脉冲载波注入方法中不能被解耦，所以使用跟踪算法（PLL或观测器）来获得转子位置theta;。
图1 传统的高频脉冲载波信号注入法的原理
- 估计的同步参考系与实际的同步参考系之间的关系
- 正常坐标系中载波电流的频率分量
图2 将从I部分移动到II部分
- 基于估算的固定频率旋转参考系的高频脉冲载波信号注入方法
传统的脉动载波电压注入法虽然物理原理简单，但仍可能面临收敛时间长，起动失败的问题。此外，跟踪方法的附加闭环损害了系统的稳定性。与传统的脉动载波信号注入方法的跟踪思想不同，提出了一种在注入的固定频率旋转坐标系中使用注入脉动高频电压的方法，从而提高了启动和稳定性。
- 高频注射法的提出
通过将从I部分移动到II部分，只有omega;r保留在部分I中，如图2所示。由于第II部分中的信号可以通过低通滤波器进行滤波，所以可以直接从高频载波响应中提取转子位置信息。如图3所示，通过使用估计的固定频率旋转参考系d*-q*来代替估计的同步参考系来执行移动过程。theta;r*是d*轴与实际alpha;轴之间的角度。omega;r*是d*-q*参考系的旋转频率。上标*表示固定频率旋转参考系。
图3 固定频率旋转坐标系与实际同步参考系的关系
脉动载波电压信号Vccosomega;ct被注入d*轴。将注入的电压转换成d-q 同步参考系，即，
其中
Vdq可以被看作是两个不同的频率电压Vdq1和Vdq2的总和。因此，当PMSM作为线性系统处理时，由Vdq引起的高频载波响应电流是Vdq1和Vdq2的叠加。
由Vdq1引起的响应电流可以表示为
在（6）中，I1p，I1n，和是与rd，rq，Ld，Lq，Vc，omega;r*和omega;c相关的常数值。将（6）变换回d*-q*参考系，即，
类似地，在d*-q*参考系中由Vdq2引起的响应电流是
其中I2p，I2n，和是与rd，rq，Ld，Lq，Vc，omega;r*和omega;c相关的恒定值。
然后，（7）加上（8），总高频载波响应电流为
由cos（omega;ct）cos（2omega;r*t）乘以（9），我们得到
其中
通过低通滤波器提取包含转子位置信息的低频信号，即，
等式（11）可写成
其中
其中偏移角与rd，rq，Ld，Lq，Vc，omega;r*和omega;c相关联。如果可以预先检测和补偿，则可以在（13）中获得转子方向位置。在0-pi;的范围内的theta;0〜pi;表示在磁极性检测之前的估计的转子位置。实际转子位置theta;等于theta;0〜pi;或（theta;0〜pi; pi;）。然后，使用磁极性检测方法来获得转子位置theta;。总信号处理如图4所示
图4 简化的信号处理框图
利用所提出的方法，转子位置信息theta;直接从注入的高频脉动载波信号的响应中获得，而不是基于观察者的收敛过程。因此，该方法避免了跟踪观测器的收敛时间过长或潜在的收敛失败。此外，在总信号处理过程中，只有一个低通滤波器取代了观测器的闭环控制器，不仅简化了控制结构，而且提高了系统的鲁棒性。 然而，由于将高频电压注入估计的固定频率旋转参考系而不是估计的同步d轴，所以由所提出的方法引起的转矩脉动可能大于传统的脉动方法。 幸运的是，由所提出的方法引起的转矩波动在高的注入频率下变化，这对基波的性能几乎没有影响。
B.参数设计
在所提出的无传感器控制解决方案中，需要设计四个频率（omega;r，omega;*， omega;c和omega;0）。其中，omega;r*，omega;c和omega;0不仅决定了转子位置估计的精度，而且限制了omega;r的最大可用值。为了便于分析，所提出的解决方案中提到的HF信号可以被分解成两种类型：1）注入和采样的信号;2）在信号处理期间要被滤波的信号。
第一类频率是存在的，需要用数字信号处理器构造或采样。通常，当前采样频率与脉宽调制开关频率相同。因此，第一类频率的最大值受脉宽调制开关频率的限制。为了确保注入信号的完整性和平滑性，在注入载波信号周期期间采样点尽可能多。根据工程经验，第一类频率的最大值被选择为小于脉宽调制频率
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