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摘 要

在永磁同步电机控制系统中，由于机械式传感器的安装带来了系统成本增加、体积大、可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷，近年来各国学者开始致力于无位置传感器控制系统的研究。在众多无位置传感器控制技术当中，高频信号注入法以其突出的优点而成为当前的研究热点，因此本文对基于高频电压注入法检测转子磁极进行了研究。

首先，本文阐述了旋转高频电压信号注入法实现转子位置检测的原理，对相关的高频电流响应公式进行了进一步必要的推导与整理。高频电压信号注入法适用于具有一定凸极率的电机。这种方法是一种在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压或在估计转子直轴上叠加一个正弦（余弦）高频电压激励信号，然后检测对应的高频电流响应并通过特定的信号处理获取转子位置信息的新颖的无位置传感器技术。

其次，应用MATLAB分别构建了基于旋转高频电压信号注入法的永磁同步电机矢量控制系统并进行了静动态跟踪性能分析。首先，对永磁同步电机定子电压方程中的交叉耦合项进行了前馈补偿；采用左半平面零极点相消的方法设计了电流及转速PI调节器的参数；采用反演算法对转速PI调节器进行了退饱和设计。其次，对位置跟踪观测器的参数进行了设计。在基于旋转高频电压注入法的矢量控制系统中，转子位置估计值直接与实测值进行外差计算得到转子位置误差信息作为位置跟踪观测器的输入信号，位置跟踪观测器的参数设计相对较简单，应用零极点配置的方法对旋转高频电压注入法下的位置跟踪观测器的参数进行了设计及调试。仿真结果表明，基于旋转高频电压信号注入法的永磁同步电机矢量控制系统能够实现转子位置检测，具有较高的静动态跟踪精度。

最后，探讨了旋转高频电压信号注入法下定子电阻对转子位置估算影响的问题。从构建高频激励下永磁同步电机数学模型的动态方程入手，得到稳态时的高频电流响应表达式，经过详细的公式推导及理论分析，得到的结论是：旋转高频

电压注入时定子电阻对转子位置估算有影响；针对旋转高频电压注入法定子电阻引起的转子位置估算误差，给出了位置估算误差的补偿公式，指出旋转高频电压注入时忽略定子电阻是产生转子位置估算误差的又一来源。

关键词：永磁同步电机；高频信号注入法；位置跟踪观测器；定子电阻；转子位置估算误差

High-frequency injection PMSM pole position

ABSTRACT

In the permanent magnet synchronous motor control system, there are defects due to the installation of mechanical sensors, including the increasing of system cost, large volume, reliability reduced and vulnerability to working environment. In recent years, scholars from various countries started to focus on sensorless control system.

Firstly, the theory of rotating high frequency voltage signal injection method and pulsating high frequency voltage signal injection method in rotor position detection is presented in this paper, and further derivation and collation of the relevant high frequency current response formulas are presented. High frequency voltage signal injection method is a novel sensorless technique which is suitable for the motor with a certain rate of salient.

Secondly, permanent magnet synchronous motor vector control system based on rotating and pulsating high frequency voltage signal injection method are constructed separately using MATLAB and static and dynamic tracking performance analysis is carried out. First, feed forward compensation is done to the cross-coupled term in permanent magnet synchronous motor stator voltage equation. The current and speed PI regulator parameters are designed using the left half plane zero-pole cancellation method.

Finally, the stator resistance effect of rotor position estimation in high frequency voltage signal injection is investigated. Beginning with the constructing dynamic equation of PMSM mathematical model, steady state expression of the high frequency current response is derived. Via detailed formula inference and theoretical analysis, the conclusion that stator resistance influences the rotor position estimation in rotating high frequency voltage signal injection method is received, while in pulsating high frequency voltage signal injection method, the influence of stator resistance rested with signal extraction method. Rotor position estimation error will be obtained if only one of high frequency positive sequence and high frequency negative sequence is applied to extract high frequency current, while not if both are applied. In view of rotor position estimation error in rotating high frequency voltage signal injection caused by stator resistance, compensation formula is given and ignoring the stator resistance in rotating high frequency voltage injection method is another source of bringing rotor position estimation error.

Key words: PMSM, high frequency signal injection, position tracking observer, stator resistance, rotor position estimation error

目录

摘要 I

ABSTRACT III

目录 V

第1章 引言 1

1.1鉴于电机基波模型的位置检测方法 1

1.1.1模型参考自适应法 2

1.1.2假定旋转坐标系法 2

1.1.3电压/电流模型法 3

1.1.4基波反馈电压法 4

1.2基于电机凸极效应的检测方法 5

1.2.1电感计算法 5

1.2.2电压脉冲法 6

1.2.3高频信号注入法 6

1.3本课题的研究意义和内容 7

第2章 转子位置检测原理 9

2.1 永磁同步电机结构和数学模型 9

2.1.1永磁电机的结构 9

2.1.2永磁同步电机基波数学模型 10

2.2高频注入法转子位置检测原理 12

2.2.1旋转注入法转子位置检测的原理 12

2.2.2脉动注入法转子位置检测的原理 13

第3章 转子位置检测仿真研究与性能分析 16

3.1转子位置检测矢量控制系统 16

3.1.1转速及电流调节器的设计原理 16

3.1.2位置跟踪观测器的设计原理 17

3.2高频注入法转子位置检测仿真研究 18

3.2.1旋转注入法矢量控制系统仿真模型 18

3.2.2旋转注入法仿真结果及分析 19

3.3本章小结 21

第4章 定子电阻对转子位置估算影晌分析 23

4.1旋转定子电阻对转子位置估计影响的理论分析 23

4.2旋转定子电阻对转子位置估计影晌的仿真研究 25

4.3本章小结 26

第5章 结论 27

参考文献 29

致谢 32

第1章 引言

随着永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机PMSM（ permanent magnet synehronous motor）以其高转矩惯量比、高功率密度、高效率、牢靠性和维修性好等优点，在数控机床、工业机器人等场合都获得了广泛的应用。永磁同步电机转子磁路结构不同，则电机的运行性能、控制方法、制造工艺和适用场合也会不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机的转子结构可分为表面式和内置式。其中，内置式转子结构的永磁体位于转子内部，能有效地避免永磁体失磁，在电磁性能上属于凸极转子结构，采用内置式转子结构的永磁同步电机动，静态性能好，广泛应用在动态性能要求高的交流调速传动系统中^[1-3] 。

随着交流调速传动系统中矢量控制思想的提出，转子磁链信息成为交流调速转矩控制的关键，在永磁同步电动机中转子位置信息通常通过位置传感器来获得。在永磁同步电机控制系统中，需要在转子轴上安装机械式传感器，测量电机的速度和位置，以实现高性能的转速和位置闭环控制。然而，机械的转子位置传感器会给系统的设计带来一些不良的影响，如：成本增加、体积增大、抗干扰性能差，可靠性降低等。为解决这些问题，近些年来，各国学者开始致力于无位置传感器控制系统的研究，通过检测定子电流、电压等容易测量的物理量进行位置估算以取代位置传感器^[6-7]。其中的一些方法已经被商业化并应用于工业领域。无位置传感器控制技术免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本。

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