基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术综述

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李浩源  张  兴  杨淑英  李二磊

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180219

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导语

本文对高频电压信号注入法进行了评述，主要内容有：将高频信号注入法分为三类，介绍每类方法中的典型实施方案及其优缺点；分析比较三类方法的异同点；对高频信号注入法的发展趋势进行展望。

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研究背景所

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有功率密度高、效率高、调速范围宽和噪声低的优点，在工业领域得到广泛应用。

相比通过机械传感器来获取位置和转速信息，无传感器控制技术有利于改善PMSM驱动系统的可靠性，降低系统成本及复杂度。高频信号注入法利用PMSM凸极特性获取转子位置信息，较好地实现了电机零速及低速时无传感器控制。因此，高频信号注入法得到了广泛关注及研究。

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国内外研究现状

本文针对高频信号注入法的国内外现状进行了评述，将这些方法总结为三类：传统的高频正弦波注入法、改进的高频正弦波注入法和高频非正弦波注入法。

传统的高频正弦波注入法包括Lorenz R.D. 提出的高频旋转电压注入法和Sul S.K.提出的高频脉振电压注入法。传统的高频旋转注入法具有良好的稳定性，但是存在位置估计精度差的问题。传统的高频脉振注入法具有较高的位置辨识精度，但是存在收敛时间长、动态性能差、稳定范围小的问题。

为了解决传统方法存在的问题，有学者研究了改进的高频正弦波注入法。

① 双向高频旋转正弦波注入到两相静止坐标系：该方法具有更高的位置估计精度，减小了定子电阻和系统延时的影响，但是信号处理更加复杂，要完成多个参数设计。

② 高频脉振正弦波注入到两相静止坐标系：相比传统的高频脉振注入法，该方法可以提高位置估计系统的稳定性；相比传统的高频旋转注入法，该方法的信号解调过程更为简单。该方法的缺点在于位置计算需要准确获取电机参数。

③ 高频脉振正弦波注入到ABC坐标系：相比传统的高频脉振注入法，该方法可以解决位置估计收敛时间长和稳定性差的缺点，但是增加了的信号解调过程中的低通滤波器个数，并且要完成多个参数设计。

④ 高频脉振正弦波注入到固定频率旋转坐标系：相比传统高频脉振注入法，该方法可以提高位置估计收敛速度，并提高系统稳定性，但是位置计算需要准确获取电机参数，同时完成多个参数设计。

⑤ 基于零序电压解调的高频注入法：由于零序分量受畸变电压的影响较小，该方法可以显著提高系统的带宽和稳定性，但是需要额外增加阻抗网络和高精度的电压传感器来获取零序电压值。

为了解决高频正弦波注入方法带宽低的问题，有学者研究了高频非正弦波注入法。

① 高频脉振方波注入法：该方法可以将注入的信号频率提高到开关频率等级，可以提高系统带宽并降低可闻噪声，但是为了保证较高的信噪比，需要增加注入电压的幅值，反而会限制基波电压利用率。

② 高频脉振三角波注入法：该方法应用于初始位置辨识，具有较快的动态性，并省去了低通滤波器，其缺点是在电阻、系统延时、逆变器非线性等因素和交叉饱和等因素的影响下，采用之直接调制法会使得位置误差信号中叠加高频毛刺干扰，影响位置估计精度及稳定性。

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异同点分析及发展趋势

通过分析可知，这三类方法的差异性在于注入信号的类型以及信号解调的方式，而共同点在于均利用了电机的凸极特性来观测转子位置。此外，由于电机的凸极位置在一个电角度周期呈现2倍波动，因而都需要进行极性判断。

基于高频注入法的永磁同步电机无传感器控制技术应该具有高品质特性，主要体现在：

1）观测器的动态性能高。

2）系统的稳定性强。

3）位置观测精度高，受不利因素的影响小。

4）信号处理过程简单化，滤波环节少。

然而这几个品质特性是存在制约性的，因此高频注入法朝着多元化发展，表现为通过提高某方面的品质来满足应用场合的需求，例如提高位置估计精度、简化信号处理过程、降低可闻噪声等。

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结论

高频注入法可以较好地应用于永磁同步电机无传感器控制技术中。可以将高频注入法分为传统的高频正弦波注入法、改进的高频正弦波注入法和高频非正弦波注入法。基于高频注入法的无传感器控制技术朝多元化发展，表现在通过提高某方面的品质特性来满足应用场合的需求。

引用本文

李浩源, 张  兴, 杨淑英, 等. 基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术综述[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12): 2653-2664.

Li Haoyuan, Zhang Xing, Yang Shuying, et al. Review on Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on High-Frequency Signal Injection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2653-2664.

团队简介

合肥工业大学电气与自动化工程学院张兴教授科研团队多年来依托合肥工业大学“电力电子与电力传动”国家级重点学科以及教育部“光伏系统工程研究中心”，一直致力于新能源发电及其电力电子技术的研究与教学工作。并长期专注于同我国新能源发电逆变器龙头企业——阳光电源股份有限公司的产学研合作，实现了光伏并网逆变器、MW级风电变流器、微电网及储能变流器的产业化，取得了良好的社会经济效益。

“十五”期间与阳光电源联合承担并合作完成了科技部科技攻关项目“并网光伏发电用系列逆变器的产业化开发（2004BA410A18）”，实现了光伏并网逆变器的产业化。

“十一五”期间与阳光电源联合承担并合作完成了两项“十一五”国家科技支撑计划项目——“1.5MW以上直驱式风电机组控制系统及变流器的研制与产业化（2006BAA01A20）”、“1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器的研制与产业化（2006BAA01A18）”，实现了MW级风电变流器的产业化。

“十二五”期间与阳光电源联合承担并合作完成了“十二五”国家科技支撑计划项目——“7MW级风电变流器及控制系统产业化关键技术研发（2012BAA01B04）”，该项目采用中压三电平全功率变流器设计，并在湘电风能和张北风电场通过了权威部门的性能及现场运行测试。另外，与阳光电源联合承担了“十二五”国家科技支撑计划项目——“光伏微电网关键技术研究和核心设备研制(2015AA050607)”，开展了虚拟同步发电机及其在微电网中的应用与控制研究，相关研究成果已于2014年11月成功应用于国家电网援建的措勤县微电网示范电站工程项目。

“十三五”开局又与阳光电源合作申请并成功获批了国家重点研发计划“分布式光储发电集群灵活并网关键技术及示范（2016YFB0900300）”的支持，使产学研合作迈上了一个新台阶。同时，团队承担和完成了多个国家自然基金和阳光电源产学研合作项目。

目前，张兴教授科研团队有教授4人、副教授2人、讲师2人，博士、硕士研究生80余人。

张兴，教授、博士生导师、安徽省政协委员。1984毕业于合肥工业大学工业自动化专业。现任中国电源学会常务理事，中国电源学会新能源电能变换技术专委会副主任委员，中国电工技术学会电气自动化专委会副主任委员，台达环境与教育基金会2010年度中达学者，合肥工业大学“电力电子与电力传动”国家级重点学科和教育部光伏工程研究中心学科带头人。

主持、承担包括国家重点研发计划、国家科技支撑计划项目、自然科学基金等科研项目多项，发表学术论文100余篇，出版学术专著4部（国家十二五重点图书）、教材2部（国家规划教材1部），获授权发明专利40余项，并领导团队与阳光电源股份有限公司开展了近20年长期而富有成效的产学研合作，使多项成果实现了产业化。

李浩源，博士研究生，研究方向为电动汽车用永磁同步电机驱动系统分析及控制技术。

杨淑英，教授，于2002、2008年分别在合肥工业大学电气学院获得学士和博士学位，于2014~2015年在加拿大纽布伦斯威克大学电气与计算机工程系担任访问学者，目前任教于合肥工业大学电气学院，主要从事风力发电、电机驱动和并网逆变器相关领域的研究工作。

李二磊，硕士研究生，研究方向为开绕组永磁同步电机驱动系统控制技术。

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