- 頭條永磁同步電機無傳感器控制的新策略，提升轉子位置檢測精度2021-02-16 作者：郭磊、楊中平、林飛 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語永磁同步電機的無傳感器控制在低速區域或零速常采用高頻信號注入法。旋轉高頻信號注入法辨識轉子位置，其準確度易受到控制器采樣和計算延時、逆變器輸出或波形畸變引起的延時，以及信號解調過程中濾波器環節產生的延時等因素的影響。 北京交通大學電氣工程學院的研究人員郭磊、楊中平、林飛，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，提出可把延時產生的相位偏差歸結為兩種類型分別加以分析和補償。在此基礎上提出一種轉子位置誤差補償高頻信號注入控制策略。該策略能有效減小信號延時造成的相位偏離，提高轉子位置的估計準確度。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）由于具有較高的轉矩密度、功率密度和高效率，因而在交通運輸、工業自動化、人工智能和航空航天等領域得到廣泛應用。永磁同步電機通常需要高精度的轉子位置信息，這是采用矢量算法的高性能電機控制所需要的。
如果轉子位置檢測不準確、滯后或超前，必然會降低電機控制的穩定性、平滑性、精確性和動態性，甚至引起電機無法正常起動，因此準確檢測轉子位置成為永磁同步電機控制的關鍵技術。
通常采用通過高精度傳感器獲得轉子位置的方法，不僅增加系統成本占用有限的空間，而且降低系統可靠性又增加維護成本，甚至在有些場合不宜使用。無速度傳感器控制法在低速和零速區域，傳統方法采用基波模型轉子位置辨識，不易準確獲取轉子位置信息。高頻信號注入法的參數魯棒性高，低速和零速辨識精度高，穩定性好。
高頻注入法是利用電機轉子凸極結構或者凸極效應所產生的調制作用實現轉子位置的辨識。高頻信號注入法可根據注入電機的坐標系類型不同分為靜止坐標系信號注入法和旋轉坐標系信號注入法。
高頻信號注入靜止坐標系，轉子位置本質上是對電流相位的調制，表現為相位引起的轉子位置誤差；高頻信號注入旋轉坐標系，高頻電流的包絡線包含基本的轉子位置信息，表現為電流幅值變化引起的轉子位置誤差。
旋轉坐標系下的高頻信號注入法，收斂時間長、對參數敏感，甚至轉子位置收斂可能失敗；相比較而言，靜止坐標系下的高頻信號注入法易收斂、穩定性好，電機參數變化對轉子位置影響小，且易于工程實現，因此廣泛應用于永磁同步電機無傳感器低速和零速轉子位置檢測。
- 有學者沒考慮脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）所引起的滯后，僅對數字控制引起的延時問題進行了分析和補償。
- 有學者采用多個濾波器進行信號解調，濾波器選取與設計增加了復雜度，并且會引起相移。此外，數字控制引入計算延時和脈寬調制延時，注入的高頻電壓信號要經過延時后才能作用到電機中，進而導致位置解調時的坐標變換角度產生較大的偏置。
- 有學者采用了移相和傅里葉算法代替濾波器，但沒有對數字控制延時進行補償。
- 有學者采用不同頻率同時注入到靜止坐標系，通過復雜的多組濾波器法建立方程組，把不同原因造成的相位誤差計算出來加以補償。該方法過于復雜且增加濾波器設計難度，沒有考慮不同頻率對系統的影響。
- 有學者采用在靜止坐標系中注入高頻脈振信號，并且對高頻電感下的交叉飽和引起的相位偏差進行了非在線補償，文中采用的超低頻率低通濾波器也會帶來較大誤差影響。
基于靜止坐標系高頻信號注入無傳感器方法中，逆變器的死區時間和非線性變化，數字信號采樣、控制算法運算和電路延時，以及采用多個多種不同濾波器帶來的延遲等都會反映在轉子位置相位偏差上，引起位置檢測誤差和不準確性。
綜上所述，北京交通大學電氣工程學院的研究人員郭磊、楊中平、林飛，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“帶誤差補償的高頻信號注入永磁同步電機無傳感器控制策略”），結合靜止坐標系下高頻注入轉子位置理論推導，提出根據信號傳輸特性，把相位偏差分為高頻相位偏差和位置相位偏差。高頻相位偏差是由于高頻信號傳輸過程中不同因素造成的，特點是正負序分量中相位偏差始終相同；而位置相位偏差存在于轉子位置內部，特點是正負序分量中偏差各不同。
作者以此為分析基礎，根據兩種位置誤差類型自身特點加以補償，提出一種帶誤差補償的轉子位置估計高頻信號注入控制策略。該策略在靜止坐標系下注入旋轉高頻信號，通過建立多組方程求出高頻相位偏差并加以補償。
對于濾波器相頻特性引起的位置相位偏差，本文詳細分析了原因，并提出了一種相頻差值法解決位置相位偏差的方法。在不同工況下，對比了帶有誤差補償和沒有誤差補償的轉子估計位置實驗，并把結果同實際測量的轉子位置進行對比。兩種工況下，不帶誤差補償的轉子估計位置偏差各為0.07rad和0.18rad。實驗結果驗證了誤差補償策略的正確性和有效性，提高了轉子位置估計的準確度。
