无传感器控制——高频信号注入法学习—

电机控制小白言：

在学习过程的跌跌撞撞中还是坚持了自己感兴趣的一个方向，《论犯罪与刑罚》中有句话让我感触颇深：勇敢这东西，要么闪烁在真理的光辉里，要么飞腾在欲望的火焰里，要么表现在危险的愚昧中（译本），看到这句话的第一感觉就是它在内涵现在的我，我选择的开题方向尽管火热，但我们同门没有做的，而且我也处在导师放养式成长阶段，自己本科学的也不咋地，所以就一个字，啥都靠自己现在的冲劲和学习悟性，也不知道是什么促使我选择了它，现在看这句话，我潜意识认为是在危险的愚昧中促使我勇敢，但现在我非要把它往第二个靠，成功了固然是好的，失败了大不了自己也是冲过的。到了一定年纪，能遇到让自己感到热血冲动的事很少，生活所迫使我们慢慢接受平淡，不愿去思考分析，习惯了顺流而下，所以无论是愚昧还是欲望促使我勇敢的，我都要抓住这份勇敢，学下去。所以慢慢记录吧，记录给自己看，也想在这个过程中遇到相同方向的同学一起讨论，我是超级欢迎并期待的。

参考文献：

【1】CORLEY M J, LORENZ R D. Rotor position and velocity estimation for a salient-pole permanent magnet synchronous machine at standstill and high speeds %J IEEE Transactions on Industry Applications [J]. 1998, 34(4):

【2】《Position Sensorless Control Techniques for Permanent Magnet Synchronous Machine Drives》

【3】《现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真》

一、为什么会出现高频信号注入法？

为了系统减少制作成本和提高系统鲁棒性，大多数学者将注意力放在了无传感器技术的研究，而最开始是先研究了基于数学模型（电机反电动势参数）的无传感器技术，但由于零低速时电机信噪比低，提取到的电压太小，所以此方法不适用于零低速情况。怎么办呢？于是乎，美国Lorenz .R .D在1998年提出了高频旋转信号注入法，这是另一种适用于零低速情况下的无传感器技术，渐渐地就多了对高频注入法的研究。

二、怎样去学习高频信号注入法？

1.高频信号注入法的原理

高频信号注入法的思路来源是因为PMSM高频模型的电感矩阵含有转子位置信息，所以才有这个方法的引入，其基本原理图如1-1所示，可简述为：由于电机本身的非理想特性（凸极特性），若是在定子侧注入高频信号，则会使得电机产生高频的响应电流，而在这个电流中含有电机的转子位置信息，将这个转子位置信息通过“各式各样”的方法提取出来，进行适当处理，得到转子位置信息，则就达到了无传感器估测转子位置信息的目的。

图1-1 传统高频信号注入法基本原理框图

2.分类（传统地按照输入波形进行分类）

高频正弦电压信号注入法

（1）高频旋转电压信号注入法（1998年，被最早提出来的）

高频旋转正弦信号注入法是最早提出的基于高频信号注入法，其中旋转高频电压矢量被注入到静止两相（αβ）坐标系下，位置信息可以隐含在感应高频电流的相位中。

优点：因为注入的是对称的正弦电压，所以具有潜在的稳定性

缺点：不可避免地会带来电流波动和转矩脉动，对控制性能产生不利影响。此外，为了确保注入信号的正弦性，限制注入频率。提取不同频率的信号需要HPF和LPF，而LPF的存在会限制控制器的带宽。

（2）高频脉振电压信号注入法（为了缓解上述办法带来的电流波动和转矩脉动，提出了这个方法——2003年提出的）

基于高频脉振正弦信号注入的方法通常将脉动电压信号注入到估计的旋转两相（dq）坐标系下中，感应高频电流的幅值包含位置信息。

优点：由于注入的是d轴，所以导致很少的电流和转矩脉动，信号处理过程较简单；

缺点：为了保证注入电压的正弦曲线，注入频率信号受限，不利于动态性能的改善。

高频方波电压信号注入法

为什么会出现：因为前面的信号注入，其注入频率受很大限制，而注入频率越低，则动态性能越差

高频信号是注入估测转子参考轴系，不同的是，注入的不是正弦信号，而是方波信号，且是注入单轴d轴，转子位置信息隐含在高频响应电流项中

优点：是一种更为创新的注入方法，与传统的正弦信号注入相比，方波信号注入能达到更高的注入频率，通常能达到一般的开关频率。如果采用双采样双更新，其还能直接达到开关频率；

缺点：和众多高频注入法同样的缺点，需要考虑由于逆变器非线性而导致的补偿，而且损耗相对较高。

高频脉冲信号注入法

为什么会出现：前面的三种注入方法都是将信号叠加在基频电流中，所以前面的方法会使用到带通滤波或高通滤波来提取高频分量，用于提取转子位置和获取速度信息，也可能会在位置与速度观测上用到低频滤波器，而这个使用会导致系统的带宽变小，与削弱系统的动态性能。并且由于逆变器非线性以及电机阻抗转子电压压降而产生的电压误差，其会干扰转子位置估测则为了克服这些问题，就有了高频脉冲信号注入法的提出。

高频脉冲注入法是通过分离矢量控制周期与注入周期，则可以不使用数字滤波器的情况下提取及基高频电流，再经过信号处理，将转子位置信息提取出。

优点：不使用数字滤波器，无需任何补偿，对电压误差的鲁棒性大大提高。

缺点：转子位置更新的频率低，由于矢量控制周期与注入周期分割，呈现倍数关系，所以系统动态响应性能有待提高。

3.传统的高频信号注入法都需要一个磁极极性判断的过程：

需要在电机启动前完成极性判断若当前磁极为N，则所估测位置为转子位置；若当前磁极为S，则所估测位置再➕pi 才为转子位置.

4.在明白方法的本质原理和传统分类后，根据目前所看资料列出可深入学习方向：

（1）提高位置精度（精度低会使定子铜耗增加，弱化转矩的动态提升能力，降低动态响应）

（2）简化信号处理（避免使用滤波器导致误差补偿问题、考虑逆变器非线性产生的误差问题以及创新方法于分隔基频电流与高频电流)

（3）降低电磁噪声和可闻噪声

三、总结

本文按照自己思路写的，根据平常学习时的思维从why→how→what三方面出发粗略地总结已经嚼碎了的基础知识，说明了为什么要研究高频信号注入法，以什么样的模式去学习高频信号注入法（先明白原理分类等基础知识，再参考其他学者对此方法的创新研究，明白深入方向，然后进行学习），最后怎么样—对基础知识有了结构的理解，奠定后续学习的基础。

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