[01248348]永磁同步电机高频方波信号注入技术及矢量控制系统V1.0

课题来源与背景

课题来源：甘肃省重点研发计划（20YF8GA055）

背景：近年来，随着电力电子器件、自动化控制技术、数字控制技术的发展，相比于传统的直流电机，交流电机在工业驱动领域中逐步成为主流。其中，永磁同步电机以其体积小、重量轻、功率密度大等优势，得到日益广泛的应用。

永磁同步电机根据转子永磁体结构和放置位置的不同可以分为表贴式和内置式两种。由于永磁体磁导率与气隙中空气磁导率相同，对于表贴式永磁同步电机，其有效气隙长度是均匀的，交直轴电感相同。内置式永磁同步电机的永磁体置于转子内部，电机的交直轴有效气隙长度不等，相比SPMSM，IPMSM的凸极结构产生了额外的磁阻转矩，有着更高的转矩密度，同时由于永磁体内置，机械强度更高使得IPMSM更适合高速运行，使用性能和寿命得到提高，同时IPMSM的凸极结构使其更适合无位置传感器控制。

转子位置信息是永磁同步电机矢量控制的必须量，获取转子位置信息的方式有两种，一种是机械位置传感器，如光电编码器、旋转编码器等，其中绝对式旋转编码器的价格是增量式光电编码器价格的十倍左右。

然而位置传感器增加了整个系统的成本，在一些特殊场合还需要专门定制，如风力发电中的风机，增加了电机体积，在震动强烈、污染大的恶劣环境下其稳定性和适用性大打折扣。

另一种获取转子位置的方式是在数字控制系统中集成了从电机响应信号中提取转子位置信息的算法，即无位置传感器矢量控制。由于硬件成本的降低和可靠性的提高，无位置传感器控制方法已成为交流电机控制技术的研究热点。目前，已经有多种低速（含零速）IPMSM转子位置估计方法相继被提出。

永磁同步电机高频模型的电感矩阵含有转子位置信息，因此通过高频注入法可以获取转子位置信息。传统高频注入法根据注入信号的不同主要分为两类：一类是正弦波信号法，如旋转注入法和脉振注入法;另一类是方波信号注入。相比于旋转正弦注入法和脉振正弦注入法注入频率较低（最高为载波频率1/10左右）的缺点，基于脉振方波注入的方法实现了注入频率最高可达到载波频率大小。

其中正弦波信号注入法都需要使用带通滤波器或高通滤波器来分离出高频分量以提取转子位置信息、使用(低通滤波器分离出低频分量电流反馈值来实现闭环控制，传统方波注入法只有在注入频率比较高时才可省去电流环LPF，但是仍然需要HPF或BPF来提取转子位置信息滤波器的设计是一项复杂的工作，滤波器的使用限制了电流环带宽从而降低了驱动性能，同时造成信号延迟影响位置和速度估计的准确性。

②研究目的及意义永磁同步电机具有功率密度高、转速范围宽、体积小、起动转矩大等特点，尤其是内置式永磁同步电机由于固有结构凸极性更适合于无位置传感器低速控制场合。转子位置、速度是永磁同步电机矢量控制中进行坐标变换和变频调速的必须量，可以通过机械位置传感器获取。然而传统的机械位置传感器由于成本高、容易受电磁干扰、抗污染和抗震动能力差等缺陷，数字式位置观测器逐渐成为取代机械位置传感器的首选方案。

在不同转速范围无位置传感器控制方法的理论基础截然不同，在高速范围内常采用的反电动势法由于低速时信噪比低，只能采用基于转子凸极性原理的高频注入法来观测转子位置。

传统高频旋转注入法和脉振注入法由于必不可少的使用滤波器会造成系统延迟，采用高频方波注入法可以不同程度地减少控制系统中的滤波器。本方法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。

主要论点及论据

（1）在容量小，成本低的控制系统来说，高精度，响应速度极快的位置传感器价格较为昂贵，使得系统的成本较高，无传感器控制技术在成本方面具有得天独厚的优势。

（2）在某些恶劣的控制场合，如高温，潮湿等环境下，位置传感器无法正常使用，使得永磁同步电机驱动系统的可靠性大大降低，无传感器控制技术能提高系统的可靠性。

（3）机械式传感器安装时不易实现同心度的精确匹配，从而使得检测精度会大大降低，而无传感器控制技术能不断监测位置信息。

（4）传统的高频注入会使用到大量的低通滤波器，采用方波注入能减少滤波器的使用，提高系统的收敛速度。

（5）结合滑模速度控制和高频方波信号注入，实现了无滤波器的转子位置辨识.在速度控制器方面，利用滑模控制器对参数变化及扰动不灵敏的特点，以提高系统鲁棒性。

创见与创新

本方法提出的无位置传感器控制方法能够有效提高系统抗干扰能力，改善由于高频信号注入使用过多滤波器带来的延时问题，提高系统的动态性能。

社会经济效益、存在的问题

项目在提高永磁同步电机无传感器控制性能，以及电机应用的项目具有一定社会经济效益。

历年获奖情况：无。。