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基于高频方波信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制

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基于高频方波信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制

作者：王朝阳天津工业大学

学位级别：硕士

永磁同步电机（PMSM）具有体积小、运行效率高、功率密度高和转矩密度高等优点,在工业领域尤其是数控机床、新能源汽车等领域得到广泛应用。然而,在传统矢量控制方式下,若使PMSM能够正常运行,必须得到精确的转子位置和转速信息,这就需... 详细信息

永磁同步电机（PMSM）具有体积小、运行效率高、功率密度高和转矩密度高等优点,在工业领域尤其是数控机床、新能源汽车等领域得到广泛应用。然而,在传统矢量控制方式下,若使PMSM能够正常运行,必须得到精确的转子位置和转速信息,这就需要安装编码器或者旋转变压器,以此获得转子位置和转速信息。但是安装位置传感器会给电机系统造成一些不利影响。例如对于高速电机系统,受机械性能的限制电机往往难以安装位置传感器;对于某些自身质量较轻的电机,安装位置传感器会增加系统的转动惯量,增加系统损耗;对于一些应用在恶劣环境中的电机系统,运行工况复杂多变,位置传感器易受环境影响,一旦位置传感器损坏,为保证电动汽车仍可安全运行则需要快速切入无位置传感器控制状态。因此,针对PMSM的无位置传感器控制成为当下研究的热点问题。近年来,无位置传感器控制方案可以按照转速范围大概分为初始位置检测,低速段无位置传感器控制和中高速段无位置传感器控制三大领域。中高速段,大多采用基波模型的观测器方法计算转子位置和转速信息,该方法需要利用反电势对转子位置进行估计。低速和零速段一般采用高频信号注入法。该方法利用内置式永磁同步电机（IPMSM）的凸极性,注入高频信号后,利用得到的高频响应电流和转子位置的关系计算转子位置信息。本文通过分析传统高频方波信号注入法估算转子位置时,存在的估算误差,提出了一种基于过采样的高频方波信号注入的无位置传感器控制方法。由于传统高频方波信号注入法在计算高频响应电流时,近似认为交轴电流线性变化,由此给估算结果带来误差。基于此提出的改进算法,在有效矢量两端进行采样,采样频率增加了一个周期,使得角度更新频率增加了一个周期。同时,该算法考虑了交轴电流非线性变化的影响,因此可以使角度估算结果更加精确。此外,本文通过高频方波信号注入法检测转子初始位置,利用检测的转子初始位置进行无位置传感器起动,起动之后,切换到改进算法的无位置传感器控制中,实现零速到低速段的全程无位置控制。最后,通过20k W内置式永磁同步电机实验平台完成实验,验证了改进算法的有效性。

关键词：永磁同步电机无位置传感器控制高频方波信号注入电流采样

ADRC与高频方波注入的PMSM无传感器控制

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计算机仿真 2020年第9期37卷 171-175,316页

作者：冯进袁宇浩淡宁吴斌南京工业大学电气工程与控制科学学院江苏南京211816

永磁同步电机在零低速下的无传感器控制主要是基于电机凸极效应。传统高频信号注入法利用饱和凸极效应估计出转子位置,在电流环与信号处理环节使用滤波器,造成电流环响应与位置估计延迟。针对上述问题,对改进的高频方波信号注入的无传... 详细信息

永磁同步电机在零低速下的无传感器控制主要是基于电机凸极效应。传统高频信号注入法利用饱和凸极效应估计出转子位置,在电流环与信号处理环节使用滤波器,造成电流环响应与位置估计延迟。针对上述问题,对改进的高频方波信号注入的无传感器控制方法进行研究。采用方波信号代替传统正弦波信号,将方波信号频率提高至逆变器开关频率,避免滤波器的使用,提高了系统的带宽。在速度控制器方面,采用改进的线性自抗扰控制器代替PI控制器,将传统的PI、NLADRC、改进后的LADRC控制效果进行对比,仿真结果验证了改进后的系统具有更好的控制性能。

关键词：永磁同步电机高频方波信号注入无速度传感器自抗扰控制

高频信号注入的PMSM无传感器低速运行优化控制

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兰州理工大学学报 2022年第5期48卷 85-91页

作者：谢平包广清祁武刚杜赫轩兰州理工大学电气工程与信息工程学院甘肃兰州730050

在无位置传感器永磁同步电机(PMSM)的零低速运行控制中,多采用高频信号注入法跟踪位置信息,这将造成转矩波动和时滞问题.结合滑模速度控制和高频方波信号注入,提出一种无滤波器的转子位置辨识方法.通过将方波信号频率提升至逆变器开关频... 详细信息

在无位置传感器永磁同步电机(PMSM)的零低速运行控制中,多采用高频信号注入法跟踪位置信息,这将造成转矩波动和时滞问题.结合滑模速度控制和高频方波信号注入,提出一种无滤波器的转子位置辨识方法.通过将方波信号频率提升至逆变器开关频率,利用基波信号周期远小于高频注入信号周期的特点,在单次高频信号注入周期内,通过两次电流采样,避免了使用传统高频信号注入中的信号分离,同时去掉滤波器,有效提高系统收敛速度.仿真结果表明,与传统的高频信号注入法相比,该方法能实现PMSM无位置传感器控制下高精度的低速运行,且具有良好的稳态特性和动态性能.

关键词：永磁同步电机高频方波信号注入滑模速度控制器无位置传感器控制

高频信号注入的永磁同步电机无传感器MTPA控制

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组合机床与自动化加工技术 2022年第11期 92-96页

作者：李佩霜曾成碧苗虹四川大学电气工程学院成都610065

为了提高内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)无位置传感器控制下的转矩输出,提出了一种交替高频方波信号注入法的无位置传感器最大转矩电流比(maximum torque per ampere,MTPA)控制策略。针对传统... 详细信息

为了提高内置式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)无位置传感器控制下的转矩输出,提出了一种交替高频方波信号注入法的无位置传感器最大转矩电流比(maximum torque per ampere,MTPA)控制策略。针对传统正弦信号注入的无位置传感器控制和MTPA控制存在的信号解调过程复杂、系统带宽受限、滤波器的大量使用而造成的系统延时等问题,提出一种在估计旋转坐标系的交、直轴交替注入幅值成一定比例的高频方波信号的方法。通过对高频电流响应进行信号处理解调位置误差信息,并设计观测器获取转子位置和转速信息;通过提取电流纹波信号和无功功率计算来实现MTPA控制;考虑交叉饱和效应引起的位置估计误差,并对其进行补偿,以获取更准确的转子位置信息。仿真结果表明,所提方法在不同工况下,能够在准确地估计转子位置的同时实现MTPA控制,且具有较好的动态性能。

关键词：内置式永磁同步电机最大转矩电流比控制高频方波信号注入无传感器控制

基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制研究

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基于高频信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制研究

作者：翟继林兰州交通大学

学位级别：硕士

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）凭借其较强的转矩能力、高功率密度、优良的可靠性等优点广泛应用于航天航空、船舶、电动汽车等一些高精度控制领域。而通常采用机械传感器来获取电机运行时转子的位置信息,这... 详细信息

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）凭借其较强的转矩能力、高功率密度、优良的可靠性等优点广泛应用于航天航空、船舶、电动汽车等一些高精度控制领域。而通常采用机械传感器来获取电机运行时转子的位置信息,这就导致系统的体积增大、可靠性降低以及维修成本变高,并且限制了系统在恶劣条件或特殊场合下的正常运行。因此,对于电机的无位置传感器控制技术应运而生,并迅速成为当下电机控制领域的研究热点。本文选用内置式永磁同步电机作为研究对象,在电机处于低速运行范围内,从提高转子位置检测精度和系统动态性能两个角度对无位置传感器控制技术进行深入研究。分别对脉振高频信号注入和高频方波信号注入两种方法进行无位置传感器系统设计,最后结合仿真对其验证。首先,本文阐述了PMSM的研究背景,以及国内外对无位置传感器控制技术的研究现状。并对PMSM的控制策略进行概述,然后建立了PMSM在不同轴系下的数学模型,对矢量控制的核心坐标变换进行了详细分析,随后在MATLAB/SIMULINK环境下搭建id=0的PMSM矢量控制仿真模型,结合仿真分析,奠定进一步研究PMSM无位置传感器矢量控制系统的基础。其次,建立高频激励下的PMSM数学模型,对旋转高频信号注入PMSM实现无位置传感器控制系统进行了研究。然后着重对脉振高频信号注入法转子位置信息提取过程进行推导分析,并对PLL转子位置跟踪观测器进行设计。然后,为了避免转子位置信息提取过程中滤波器对系统动态性能以及检测精度的影响。研究了一种高频方波信号注入的无位置传感器控制策略,并分别在静止轴系与测量轴系下对转子的估计位置进行提取,随后采用了一种无滤波器的载波信号分离策略,通过简单的数学运算,避免了滤波器的使用,最后对转子的初判值进行磁极辨识,并在仿真平台上对此种控制方案进行了仿真验证。最后对两种控制方案模拟各种实际工况,进行仿真对比研究。包括同等目标转速下两种系统性能对比研究、模拟实际工况下电机发生转速突变下的仿真研究、系统在扰动负载发生突变时的仿真对比等等。最后表明:在电机处于低速运行条件下,两种高频信号注入的无位置传感器控制系统均展现出了优良的转速跟踪性能和位置观测精度。其中,基于高频方波信号注入的无位置传感器控制系统在载波信号分离过程中避免了滤波器的使用,提升了系统带宽,减小了估计转子位置的相移,在系统处于同等工况下展现出了更优良的转速跟踪性能和转子位置观测精度。

关键词：永磁同步电机无位置传感器控制高频脉振信号注入高频方波信号注入无滤波器转子解耦

基于高频注入法的永磁同步电机系统无位置传感器起动

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新型工业化 2020年第1期10卷 13-19页

作者：王志强王朝阳姚波谢赛飞天津工业大学人工智能学院天津300387 天津工业大学电气工程与自动化学院天津300387

传统高频信号注入法的永磁同步电机系统无位置传感器起动与运行,往往需要使用滤波器才可得到高频响应电流,然而使用滤波器会使系统延迟,转子初始位置检测出现误差等问题,会引起电机无位置起动失败。同时,电机系统运行时转子位置更新频率... 详细信息

传统高频信号注入法的永磁同步电机系统无位置传感器起动与运行,往往需要使用滤波器才可得到高频响应电流,然而使用滤波器会使系统延迟,转子初始位置检测出现误差等问题,会引起电机无位置起动失败。同时,电机系统运行时转子位置更新频率低,转子位置估算精度差,将造成转速和带载能力下降等问题。该文提出了一种基于高频方波信号注入的永磁同步电机无位置传感器运行控制方法,在一个PWM周期内进行多次电流采样,在采样结束后立即进行位置角计算,使位置角计算的过程提前一个周期,这样可以提高位置角更新频率。仿真和实验结果验证了所提出的基于高频方波信号注入的无位置传感器起动和运行方法的有效性。

关键词：永磁同步电机高频方波信号注入无位置传感器控制