学术简报｜速度快、精度高：永磁同步电机转子的位置检测新方法
西北工业大学自动化学院的研究人员李文真、刘景林等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于高频方波信号注入法的永磁同步电机转子位置检测方法”），针对永磁同步电机（PMSM）低速段无传感器位置检测技术中，传统的高频方波电压注入法对测量误差敏感性强、易受采样延迟和逆变器非线性效应影响的缺点，提出一种新的位置误差提取方法。
该方法用连续信号的解调代替传统的差分电流的解调方法，降低了系统对于采样误差的敏感性。首先，向估计的d轴注入高频方波电压，通过电流传感器得到高频电流响应；然后，利用傅里叶分解将估计的q轴电流响应分解为不同频率的正弦信号之和，将其与固定频率余弦调制波相乘后，经过低通滤波器得到转子位置误差，再通过位置跟踪器得到转子位置初始值；最后，基于磁路饱和效应，通过外加电流偏置法进行磁极极性辨识。
仿真和实验结果表明，所提方法收敛速度快，对采样频率没有过高要求，对采样误差不敏感，相位延迟很小，并具有较高的检测精度。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的出现大大提高了现代电力驱动系统的效率、功率密度和动态性能，为进一步降低成本、增强鲁棒性以及扩宽PMSM控制系统的应用领域，PMSM无位置传感器控制技术已经成为电机控制领域的研究热点。
在早期的研究阶段，只有基于反电动势的位置检测方法被应用于PMSM控制系统中，这些方法只在中速和高速时运行良好，而当电机处于低速和零速时，会由于反电动势太小而失效。随着无传感器控制系统对电机起动和低速运行时高动态性能需求的不断增加，高频信号注入法应运而生，它利用电机转子的结构凸极或饱和凸极效应，通过向电机定子绕组通入高频电压信号，提取包含转子位置信息的高频电流响应，解调后得到转子的位置信息。
文献[5]在静止坐标系下注入高频旋转电压矢量，这种方法被称为旋转正弦电压注入（Rotating Sinusoidal Voltage Injection, RSVI）方法，该方法在静止参考坐标系中注入了额外的高压，会引起q轴电流的波动，从而引起转矩脉动，而且在重载情况下由于磁饱和效应会造成凸极率降低，检测精度变差。
为了克服这些问题，有学者提出了脉振正弦电压注入（Pulsating Sinusoidal Voltage Injection, PSVI）方法，将高频电压注入到估计的d轴坐标系中。与RSVI方法类似，PSVI方法的注入电压频率通常为载波频率的1/10左右，因此，需要带通及低通滤波器来提取电机定子绕组电流中的高频分量和基波分量，这将降低电流环和速度环的带宽。
为了提高动态性能，文献[7]提出了脉振方波信号注入方法，向估计的d轴注入方波代替传统的正弦波信号，可提高注入信号频率到开关频率的一半，并省去用于降低噪声的低通滤波器，一定程度上提高了响应速度，但仍然需要用于获取基波电流的低通滤波器以及获取高频电流的带通滤波器。
文献[8]将注入的方波信号频率提高到开关频率，在1个方波周期内进行两次电流采样，并进行3次算数运算得到高频感应电流信号，这种方法无需使用低通滤波器，但仍需带通滤波器获得反馈的电流信号。文献[9]利用算术运算求得定子绕组的基波电流信号，无需使用滤波器，但仍需在1个方波周期内采样2次电流。文献[10]在1个方波周期内测量4次电流，减小了负载扰动、转速变化等动态过程中转子位置的观测误差，但对CPU的运算能力提出了更高的要求。
文献[11]对PUVI方法的估计误差进行了研究，分析了误差来源并对高次电感谐波、逆变器非线性、定子电阻等造成的误差进行了补偿。文献[12]针对逆变器非线性给高频方波注入法造成的负面影响展开研究，通过高频响应电流的控制得到合理的注入方波信号的幅值，从而消除逆变器非线性特点所带来的位置估计误差，但仍然难以消除采样误差对系统的影响。
文献[13]分析了不同注入频率对磁路饱和的影响，并提出了合理的频率选择方案。文献[14,15]提出了伪随机方波信号注入方法，通过注入不同频率组合的方波信号，降低了系统的噪声，但仍需对检测误差进行补偿。
传统方波信号注入法在解调过程中需要在一个注入周期内对电流进行离散化差分处理，对采样频率要求很高，至少为注入频率的2倍。在实际工程中出于对CPU资源占用和运算量的考虑，采样频率不宜过高，因此方波的实际注入频率受到了很大限制，很难达到理论上的开关频率。
同时，由于传统方法对采样点的准确性要求较高，采样点的延时会对观测精度造成较大影响，而当电机运行于转速阶跃以及负载阶跃变化等动态过程时，电流变化较快，将导致转子位置检测滞后，观测误差更大，影响电机的动态性能。虽然有些文献为降低采样误差提出了各种补偿算法，却没有改变传统方波注入法采样频率高、计算量大的本质，甚至使算法变得更加复杂。
因此，本文提出了一种基于高频方波信号注入的改进解调算法，该方法取长补短，既保留了方波信号注入法注入频率高的优点，又利用傅里叶分解将原本只能用于正弦信号注入法中的连续信号的解调方法用于方波注入法中，无需计算差分电流，对采样频率和采样点的精确度要求不高，节省了处理器的资源，减少了运算量，降低了系统对于检测误差的敏感性，且具有较高的估计精度，仿真和实验结果均验证了方法的正确性和有效性。
图7 基于方波信号注入法的位置预估
本文提出了一种基于方波信号注入法的新型位置检测方法，本文提出的信号处理方法将周期的离散电流信号转换成连续信号之和进行处理，节省了处理器的资源，减少了计算量，且使系统对采样误差的敏感性下降。在15kW的内置式永磁同步电机矢量控制平台上验证了方法的正确性和有效性，仿真和实验表明本文提出的方法具有良好的稳态跟踪性能、较高的精度及较小的相位误差。