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永磁同步电机无传感器控制的新策略，提升转子位置检测精度
永磁同步电机的无传感器控制在低速区域或零速常采用高频信号注入法。旋转高频信号注入法辨识转子位置，其准确度易受到控制器采样和计算延时、逆变器输出或波形畸变引起的延时，以及信号解调过程中滤波器环节产生的延时等因素的影响。
北京交通大学电气工程学院的研究人员郭磊、杨中平、林飞，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文，提出可把延时产生的相位偏差归结为两种类型分别加以分析和补偿。在此基础上提出一种转子位置误差补偿高频信号注入控制策略。该策略能有效减小信号延时造成的相位偏离，提高转子位置的估计准确度。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）由于具有较高的转矩密度、功率密度和高效率，因而在交通运输、工业自动化、人工智能和航空航天等领域得到广泛应用。永磁同步电机通常需要高精度的转子位置信息，这是采用矢量算法的高性能电机控制所需要的。
如果转子位置检测不准确、滞后或超前，必然会降低电机控制的稳定性、平滑性、精确性和动态性，甚至引起电机无法正常起动，因此准确检测转子位置成为永磁同步电机控制的关键技术。
通常采用通过高精度传感器获得转子位置的方法，不仅增加系统成本占用有限的空间，而且降低系统可靠性又增加维护成本，甚至在有些场合不宜使用。无速度传感器控制法在低速和零速区域，传统方法采用基波模型转子位置辨识，不易准确获取转子位置信息。高频信号注入法的参数鲁棒性高，低速和零速辨识精度高，稳定性好。
高频注入法是利用电机转子凸极结构或者凸极效应所产生的调制作用实现转子位置的辨识。高频信号注入法可根据注入电机的坐标系类型不同分为静止坐标系信号注入法和旋转坐标系信号注入法。
高频信号注入静止坐标系，转子位置本质上是对电流相位的调制，表现为相位引起的转子位置误差；高频信号注入旋转坐标系，高频电流的包络线包含基本的转子位置信息，表现为电流幅值变化引起的转子位置误差。
旋转坐标系下的高频信号注入法，收敛时间长、对参数敏感，甚至转子位置收敛可能失败；相比较而言，静止坐标系下的高频信号注入法易收敛、稳定性好，电机参数变化对转子位置影响小，且易于工程实现，因此广泛应用于永磁同步电机无传感器低速和零速转子位置检测。
有学者没考虑脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）所引起的滞后，仅对数字控制引起的延时问题进行了分析和补偿。
有学者采用多个滤波器进行信号解调，滤波器选取与设计增加了复杂度，并且会引起相移。此外，数字控制引入计算延时和脉宽调制延时，注入的高频电压信号要经过延时后才能作用到电机中，进而导致位置解调时的坐标变换角度产生较大的偏置。
有学者采用了移相和傅里叶算法代替滤波器，但没有对数字控制延时进行补偿。
有学者采用不同频率同时注入到静止坐标系，通过复杂的多组滤波器法建立方程组，把不同原因造成的相位误差计算出来加以补偿。该方法过于复杂且增加滤波器设计难度，没有考虑不同频率对系统的影响。
有学者采用在静止坐标系中注入高频脉振信号，并且对高频电感下的交叉饱和引起的相位偏差进行了非在线补偿，文中采用的超低频率低通滤波器也会带来较大误差影响。
基于静止坐标系高频信号注入无传感器方法中，逆变器的死区时间和非线性变化，数字信号采样、控制算法运算和电路延时，以及采用多个多种不同滤波器带来的延迟等都会反映在转子位置相位偏差上，引起位置检测误差和不准确性。
综上所述，北京交通大学电气工程学院的研究人员郭磊、杨中平、林飞，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“带误差补偿的高频信号注入永磁同步电机无传感器控制策略”），结合静止坐标系下高频注入转子位置理论推导，提出根据信号传输特性，把相位偏差分为高频相位偏差和位置相位偏差。高频相位偏差是由于高频信号传输过程中不同因素造成的，特点是正负序分量中相位偏差始终相同；而位置相位偏差存在于转子位置内部，特点是正负序分量中偏差各不同。
图4 新型带误差补偿的控制系统实现原理
图5 IPMSM 驱动系统实验测试平台
作者以此为分析基础，根据两种位置误差类型自身特点加以补偿，提出一种带误差补偿的转子位置估计高频信号注入控制策略。该策略在静止坐标系下注入旋转高频信号，通过建立多组方程求出高频相位偏差并加以补偿。
对于滤波器相频特性引起的位置相位偏差，本文详细分析了原因，并提出了一种相频差值法解决位置相位偏差的方法。在不同工况下，对比了带有误差补偿和没有误差补偿的转子估计位置实验，并把结果同实际测量的转子位置进行对比。两种工况下，不带误差补偿的转子估计位置偏差各为0.07rad和0.18rad。实验结果验证了误差补偿策略的正确性和有效性，提高了转子位置估计的准确度。
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