基于估計位置反饋電流解調算法的改進型高頻旋轉電壓注入無位置傳感器控制策略

麥志勤 劉計龍 肖 飛 李科峰 鄭云波

基于估計位置反饋電流解調算法的改進型高頻旋轉電壓注入無位置傳感器控制策略

麥志勤 劉計龍 肖 飛 李科峰 鄭云波

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

高頻旋轉電壓注入法是一種常用的永磁同步電機零低速區轉子位置估計方法，其電流解調通常采用同步軸系高通濾波器（SFHF）算法實現，但不足之處在于，不僅電流解調過程復雜，而且位置估計誤差隨轉速的變化而變化。為此，提出一種基于估計位置反饋（EPF）的電流解調算法。一方面，利用EPF電流解調算法設計高效的位置誤差補償策略，消除轉速對位置估計精度的影響；另一方面，采用該電流解調算法后系統具有獨立的位置估計環路，通過在位置環采用陷波器（NF）對諧波成分陷波，有效地擴展了位置環閉環帶寬，從而提高了高動態加減速工況的位置估計精度。該文回顧傳統高頻旋轉電壓注入法的實現過程，詳細介紹EPF電流解調算法以及位置估計誤差補償策略，并分析利用NF對位置環帶寬進行擴展的原理。最后搭建永磁同步電機實驗平臺對所提策略進行實驗驗證。

永磁同步電機 高頻旋轉電壓注入法 同步軸系高通濾波器 電流解調 估計位置反饋

0 引言

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）高性能矢量控制需要精確的轉子位置信息，常用方法是使用機械式位置傳感器獲得，如光電編碼器、霍爾傳感器及旋轉變壓器等[1-3]。但是，機械式位置傳感器存在以下不足：①由于體積和質量較大，電機的功率密度降低，價格較高，使電機成本增加[4]；②易受外部機械、電磁環境的影響，降低電機可靠性[5-6]。此外，還有一些特殊應用場合，根本無法使用機械式位置傳感器，如船舶用無軸推進器是未來先進推進系統的重要發展方向之一，該類型推進器取消了電機的輪轂與主軸，使其內部的電機無法安裝機械式位置傳感器[1,7]。因此，PMSM無位置傳感器控制技術受到越來越多的關注。

在實際工程應用中，PMSM的轉速運行工況通常可分為零低速和中高速兩種。零低速工況電機反電動勢信號很弱甚至消失，是實現無位置傳感器控制的難點[8-10]。目前，高頻旋轉電壓注入法是PMSM零低速運行工況最常用的轉子位置估計算法之一[11-17]。按照實現步驟，高頻旋轉電壓注入法的位置估計過程可分為電壓注入、電流解調及位置估計三步[11-12]。通常，電壓注入及位置估計的形式相對固定，對轉子位置估計性能影響不大。然而，電流解調需要對高頻響應電流進行處理并解調得到轉子位置誤差信號，該信號包含轉子位置的原始信息，因此電流解調過程的優劣將對轉子位置估計性能產生嚴重影響。一方面，電流解調的復雜度如濾波器使用數量以及同步軸系坐標變換次數，決定了位置估計的難易程度；另一方面，采用不同的電流解調方式不僅對位置估計精度產生重要影響，而且決定了位置估計的形式屬于開環或閉環。通常采用閉環的位置估計方式在動態工況下，位置估計性能往往更為優越，但必須考慮位置環帶寬問題。

傳統高頻旋轉電壓注入法的電流解調采用同步軸系高通濾波器（Synchronous Frame High-pass Filter, SFHF）算法實現。但是，受到濾波器相移和數字控制延時等因素的影響，SFHF算法容易產生位置估計誤差，并且采用該算法時轉子位置屬于開環估計，動態性能不高[12-14]。文獻[15]提出一種基于自調整軸系幅值收斂（Self-adjusting Frame Amplitude Convergence, SFAC）的電流解調算法，實現了轉子初始位置高精度辨識且有效地簡化了電流解調過程。文獻[16]分析了濾波器、數字控制相移等因素對位置估計精度的影響，并對位置估計誤差進行補償，同樣實現了轉子初始位置高精度辨識。但是，考慮到非零速區負序高頻電流受到的相移與轉速相關，而正序高頻電流相移則始終保持不變，當上述兩種方法應用于非零速區時，位置估計誤差具有轉速敏感性。文獻[17]提出基于旋轉坐標系的電流解調算法，消除了轉子轉速對位置估計精度的影響，在非零速區也獲得了較高的位置估計精度。然而，文獻[17]的位置估計屬于閉環估計方式，卻沒有針對位置環帶寬問題展開深入研究，理論體系有待完善。

為此，本文提出一種基于估計位置反饋（Estimated Position Feedback, EPF）的電流解調算法。該算法將估計的轉子位置反饋至位置觀測器的輸入，并設計了一種新型解調信號，實現了轉子位置誤差信息直接構造，有效地簡化了電流解調過程。針對位置估計誤差具有轉速敏感性的問題，利用EPF原理設計了一種位置估計誤差補償策略，從而消除了轉速對位置估計精度的影響。采用EPF電流解調算法后轉子位置估計具有獨立的閉環，通過在位置環采用陷波器（Notch Filter, NF）[18-19]對諧波成分陷波，有效地擴展了位置環閉環帶寬，改善了位置估計動態性能。本文對EPF電流解調算法以及位置環帶寬擴展原理展開了詳細分析，并搭建了實驗平臺，對所提策略進行實驗驗證。

1 高頻旋轉電壓注入法轉子位置估計

1.1 PMSM高頻電流響應

高頻旋轉電壓注入法的基本原理是在ab坐標系注入一個彼此正交的高頻電壓激勵，使電機定子產生高頻電流響應，再利用特殊的信號處理手段從高頻電流的相位中提取轉子位置信息[11-12]，高頻旋轉電壓注入法位置估計原理框圖如圖1所示。由圖1可見，高頻旋轉電壓注入法的轉子位置估計過程包括電壓注入、電流解調以及位置估計三個環節。

圖1 高頻旋轉電壓注入法位置估計原理框圖

在高頻電壓注入工況下，PMSM高頻激勵數學模型通常可等效為純電感模型，此時dq坐標系下PMSM的電壓方程可表示[15]為

式中，dh和qh分別為d、q軸的高頻電壓；dh和qh分別為d、q軸的高頻電流；dh和qh分別為d、q軸的高頻電感。根據高頻旋轉電壓注入原理，實際注入的高頻電壓可表示為

式中，mh、h分別為注入高頻電壓的幅值與角頻率。將式（2）變換至dq坐標系中，然后代入式（1），則dq坐標系中的高頻電流響應[11-12]可表示為

式中，角頻率等于h的電流成分稱為正序高頻電流；角頻率等于-wh的電流成分稱為負序高頻電流；cp與cn分別為正序、負序高頻電流幅值，二者可表示為

對式（4）進行反Park變換，此時ab坐標系下的高頻電流響應可表示為

由式（5）可看出，ab坐標系下負序高頻電流的相位包含轉子位置信息e。

1.2 電流解調及位置估計

從高頻響應電流的相位中初步獲得轉子位置誤差信號的過程稱為電流解調。傳統高頻旋轉電壓注入法采用基于SFHF的電流解調算法，具體包括負序高頻電流提取以及利用外差法構造轉子位置誤差信號兩個過程。圖2展示了利用SFHF電流解調算法提取負序高頻電流的原理框圖[11-12]，該算法首先將ab坐標系下的高頻電流旋轉至同步軸系，然后將輸出電流進行濾波得到純凈的高頻電流，最后將該電流還原得到僅含轉子位置信息的負序高頻電流n_ah與n_bh。

圖2 SFHF電流解調算法原理框圖

1.3 傳統SFHF算法存在的不足

分析發現，傳統的SFHF電流解調算法存在以下兩點不足：

（1）對高頻旋轉電壓注入法進行位置估計時，SFHF算法直接從負序高頻響應電流的相位中提取轉子位置信息。然而，受非理想因素的影響，高頻電流的相位容易發生偏移，從而產生估計位置誤差，其具體表現為位置估計誤差隨轉速改變而改變。常見的非理想因素包括[11-12]：高頻模型建模簡化導致的相移、濾波器延遲產生的相移和PI電流調節器非線性產生的相移。

圖3 外差法構造轉子位置誤差信號原理框圖

（2）采用SFHF算法時，系統直接對負序高頻電流進行鎖相得到轉子位置的估計值，屬于開環估計算法。開環估計算法在高動態加減速瞬間難以快速跟隨實際轉子位置，使估計位置與實際位置產生偏差。若位置偏差過大，非常容易導致電機失步。

2 改進型高頻旋轉電壓注入法

為了克服傳統SFHF電流解調算法存在的不足，本文提出一種基于EPF的改進型電流解調算法，將其用于高頻旋轉電壓注入法的位置誤差信號提取。

2.1 高頻電流頻率及相移分析

2.2 EPF電流解調算法

圖4 EPF電流解調算法

頻成分，負序電流直接變成含有轉子位置誤差的直流成分，實現了轉子位置誤差信息直接構造，有效地簡化了電流解調過程。然后，利用NF濾除頻率為2h的正序高頻電流（原因在第3節進行詳述），得到的負序電流可表示為

2.3 基于EPF的位置誤差補償策略

圖5 考慮位置誤差補償后轉子位置估計原理框圖

圖5中，位置誤差的補償策略利用EPF原理，設計了一個與式（9）相位相反的解調信號，即

3 位置環帶寬擴展原理分析

圖6中的濾波器可選擇LPF或NF[18-19]，二者對應的傳遞函數分別為

式中，c為LPF的截止頻率；n為NF的陷波頻率；為陷波因子。那么，采用不同濾波器時位置環的閉環傳遞函數可分別表示為

不同濾波器下位置環的性能可通過閉環帶寬與高頻電流諧波過濾能力進行對比。在本文的實驗平臺中，注入高頻電壓的頻率為300Hz，則圖6中對應的高頻諧波信號為600Hz。對于LPF，根據工程經驗為了獲得較好的濾波效果，c的參考值可取為待濾除諧波頻率的1/20，因此，c可選為60prad/s。而對于NF，其陷波頻率n應設置為1 200prad/s，陷波因子可根據實際陷波效果確定，在此選定為0.3。當確定了LPF的截止頻率、NF的陷波頻率以及陷波因子后，位置環中僅PI調節器的比例系數p與積分系數i為待定變量。

根據式（18）與式（19），繪制位置環幅頻特性曲線，如圖7和圖8所示。圖7為基于LPF濾波的位置環幅頻特性曲線，圖8為基于NF濾波的位置環幅頻特性曲線。繪制時設定一個諧波濾除性能指標，要求每一種濾波器對600Hz諧波的增益至少為-60dB，此時諧波信號幅值將衰減至輸入的0.1%。由曲線變化規律可知，PI調節器的積分系數i主要影響位置環諧振峰值而幾乎不影響閉環帶寬b，而比例系數p對閉環帶寬的影響較為顯著，增大p有助于提高閉環帶寬。

圖7 基于LPF濾波的位置環幅頻特性曲線

對比發現，若采用LPF進行濾波，當p＞80時，位置環對600Hz諧波的增益不足-60dB，說明系數p的值最大應取為80，此時對應最大的位置環閉環帶寬為18Hz；反之，采用NF濾波時，得益于NF的強陷波能力，當系數p增大至2 000時，位置環依然對600Hz諧波保持強烈的濾波效應，此時位置環閉環帶寬可達到430Hz。由上述分析可知，采用LPF濾波時由于受到濾波能力的限制，位置環帶寬無法進一步提高，位置環存在動態性能與濾波精度相互矛盾的問題，而采用NF濾波時位置環則具有高帶寬與強濾波能力并存的優點，這對提高高動態加減速工況的位置估計性能具有重要意義。但是，實際應用時p的值不宜過高，否則將減弱對開關頻率次諧波的濾除能力。

圖8 基于NF濾波的位置環幅頻特性曲線

4 仿真結果與分析

為了驗證所提方法的性能，本文采用瑞士Plexim GmbH公司開發的系統級電力電子仿真軟件PLECS進行仿真驗證，圖9為PMSM無位置傳感器控制仿真模型。仿真采用PMSM參數見表1，仿真模型中逆變器開關頻率為6kHz，電流采樣與控制頻率為12kHz。此外，高頻電壓的注入頻率為300Hz，幅值為100V。

圖9 PMSM無位置傳感器控制仿真模型

表1 永磁同步電機參數

Tab.1 Parameters of the PMSM

4.1 位置誤差補償策略性能驗證

本節驗證所提EPF電流解調算法及位置估計誤差補償策略的可行性，重點觀察所提算法是否消除了轉子轉速對位置估計精度的影響。圖10為傳統SFHF電流解調算法在不同轉速工況位置估計仿真結果，由仿真結果可知，100r/min工況下轉子位置估計誤差的平均值約為10°，-100r/min工況下轉子位置估計誤差的平均值約為-26°。可見，轉子位置估計誤差隨轉速的變化而變化，位置估計精度具有轉速敏感性。

圖10 傳統SFHF電流解調算法在不同轉速工況位置估計仿真結果

圖11為EPF電流解調算法在不同轉速工況位置估計仿真結果，可以看出，采用EPF電流解調算法后，100r/min工況與-100r/min工況下轉子位置估計誤差的平均值分別約為2°與-2°，不僅消除了轉子位置估計誤差的轉速敏感性，而且有效地提高了轉子位置估計精度。圖11的仿真結果驗證了EPF電流解調算法的可行性。

圖11 EPF電流解調算法在不同轉速工況位置估計仿真結果

4.2 位置環帶寬擴展策略性能驗證

傳統SFHF電流解調算法的位置估計精度較低，當位置估計精度無法保證時，則研究其動態過程中的位置估計性能意義不大。因此，本節僅針對本文所提的EPF電流解調算法，對比位置環分別采用LPF與NF濾波時在動態工況下的位置估計性能。

圖12為位置環采用LPF在高動態加減速下位置估計仿真結果。兩種穿越工況的位置估計誤差平均值約為-6.3°與6.7°，可以看出，當位置環采用LPF進行濾波時，由于位置環帶寬受到限制，高動態加減速工況下轉子位置估計產生延遲。位置估計誤差將降低電機定子電流控制精度，不利于電機長期穩定運行。若位置偏差過大，非常容易導致電機失步。

圖12 位置環采用LPF在高動態加減速下位置估計仿真結果

圖13為位置環采用NF濾波在高動態加減速下位置估計仿真結果。兩種穿越工況的位置估計誤差平均值約為-1.4°與1.3°，可以看出，當位置環采用NF進行濾波時位置環帶寬得到拓寬，高動態加減速工況下轉子位置估計誤差顯著減小。由此說明采用NF濾波的位置環帶寬擴展方法可行有效。

5 實驗結果與分析

為了進一步驗證本文所提方法的可行性，搭建PMSM實驗平臺對其進行驗證。圖14為本文采用的實驗平臺，電動機由變頻器供電并拖動發電機產生電能，發電機電能消耗在負載電阻柜上。對于 DSP內部的轉子位置、轉速等信號，采用先將數據實時保存在RAM中、停機之后再將數據導出的方式進行采集，最后采用Matlab完成數據處理。實驗采用電機參數見表1，變頻器開關頻率為6kHz，DSP內部電流采樣與控制頻率為12kHz。此外，高頻電壓的注入頻率為300Hz，幅值為100V。本文的仿真平臺與實驗平臺的工作參數一致，從而有利于進行對比驗證。

圖13 位置環采用NF濾波在高動態加減速下位置估計仿真結果

圖14 實驗平臺

5.1 位置誤差補償策略性能驗證

圖15為傳統SFHF電流解調算法在不同轉速工況位置估計實驗結果。可見，100r/min工況下轉子位置估計誤差的平均值約為12°，而-100r/min工況下轉子位置估計誤差的平均值約為-29°，位置估計誤差隨轉速改變而改變。

圖15 傳統SFHF電流解調算法在不同轉速工況位置估計實驗結果

圖16為EPF電流解調算法在不同轉速工況位置估計實驗結果。可見，100r/min工況下的轉子位置估計誤差的平均值約為3°，而-100r/min工況下的轉子位置估計誤差的平均值約為-2°。采用EPF電流算法后轉子位置估計精度得到明顯提高，并且基本消除了轉子轉速對位置估計精度的影響，實驗結果與仿真結果基本一致。

圖16 EPF電流解調算法在不同轉速工況位置估計實驗結果

5.2 位置環帶寬擴展策略性能驗證

圖17為位置環采用LPF在動態加減速下位置估計性能驗證實驗結果。兩種穿越工況的位置估計誤差平均值約為-6.5°與5.3°。

圖18為位置環采用NF濾波在高動態加減速下位置估計性能驗證實驗結果。兩種穿越工況的位置估計誤差平均值約為1.2°與2.0°。可見，當位置環采用NF進行濾波時位置環帶寬得到拓寬，高動態加減速工況下轉子位置估計誤差顯著減小，實驗結果與仿真結果基本一致。

圖17 位置環采用LPF在高動態加減速下位置估計實驗結果

圖18 位置環采用NF濾波在高動態加減速下位置估計實驗結果

圖19為位置環采用LPF在高動態加減速下轉速估計性能分析。由圖19b可以看出，局部放大后的轉子轉速含有大量諧波成分，如圖19c所示，估計轉速中600Hz的諧波含量為0.78r/min，由此說明LPF的濾波性能有限。轉速諧波不僅影響電機控制精度，且易使電機驅動系統產生額外損耗。

圖19 位置環采用LPF在高動態加減速下估計轉速性能分析

圖20為位置環采用NF濾波在高動態加減速下轉速估計性能分析。由圖20b可以看出，局部放大后的轉子轉速基本不含諧波成分，如圖20c所示，估計轉速中600Hz的諧波含量為0.02r/min，由此證明NF具有顯著的陷波性能。

位置環采用不同濾波器時綜合性能對比結果見表2。對比高動態加減速下的位置誤差以及轉速諧波結果可知，本文所提的位置環帶寬擴展策略可行有效。

圖20 位置環采用NF濾波在高動態加減速下估計轉速性能分析

表2 位置環采用不同濾波器時性能對比

Tab.2 Performance comparison when various filter is employed in position loop

圖21為電機由零速加速到額定轉速的速度和轉子位置實驗結果，由上至下分別為轉子轉速與轉子位置實驗波形。圖21中，當轉速處于0～200r/min時，采用高頻旋轉電壓注入法完成轉子轉速與位置估計；當轉速大于200r/min時，采用有效磁鏈法完成轉子轉速與位置估計。由圖21可知，電機具有四個工作階段：P0表示電機與變頻器完成備機，等待控制命令階段；P1表示采用旋轉注入法完成轉子初始位置檢測階段；P2表示轉速由0r/min加速到額定轉速500r/min階段，期間位置估計算法由高頻旋轉電壓注入法自動切換至有效磁鏈法；P3表示電機達到額定轉速的高速穩態階段。由實驗結果可以看出，電機在全轉速范圍無位置傳感器控制下可靠運行。

圖21 電機由零速到額定轉速的速度和轉子位置實驗結果

6 結論

傳統高頻旋轉電壓注入法采用SFHF算法完成電流解調，不僅電流解調過程復雜，而且轉子位置估計誤差隨轉速的變化而變化。本文分析了傳統方法中引起位置估計誤差的原因，提出一種基于EPF電流解調算法的改進型高頻旋轉電壓注入法。所提方法不僅有效簡化電流解調過程，消除了位置估計誤差的轉速敏感性，并且利用NF對位置環高頻諧波進行濾波，拓寬了位置環路閉環帶寬，有效地改善了高動態加減速下的位置估計性能。仿真與實驗結果證明了本文所提算法的有效性。

[1] 曹春堂, 蘭志勇, 沈凡亨. 永磁同步電機無位置傳感器控制系統中初始位置角檢測綜述[J]. 電氣技術, 2020, 21(6): 1-5.

Cao Chuntang, Lan Zhiyong, Shen Fanheng. Review of initial position angle detection in sensorless control system of permanent magnet synchronous motor[J]. Electrical Engineering Magazine, 2020, 21(6): 1-5.

[2] 劉計龍, 肖飛, 麥志勤, 等. 基于雙dq空間的永磁同步電機無位置傳感器啟動策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(12): 2677-2684.

Liu Jilong, Xiao Fei, Mai Zhiqin, et al. Position- sensorless startup strategy for permanent magnet synchronous motor based on double dq space[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2677-2684.

[3] Luo Xin, Tang Qipeng, Shen Anwen, et al. PMSM sensorless control by injecting HF pulsating carrier signal into estimated fixed-frequency rotating reference frame[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(4): 2294-2303.

[4] 胡靜, 簡優宗, 楊合民. 一階高通濾波在發電機低頻時轉子位置檢測角中的應用[J]. 電氣技術, 2018, 19(7): 39-42.

Hu Jing, Jian Youzong, Yang Hemin. Application of first order high pass filter mathematical model of rotor position detection in low frequency of angle[J]. Electrical Engineering Magazine, 2018, 19(7): 39-42.

[5] 王海兵, 趙榮祥, 湯勝清, 等. 永磁同步電機位置檢測偏差對驅動系統性能的影響研究[J]. 電工技術學報, 2018, 33(4): 911-918.

Wang Haibing, Zhao Rongxiang, Tang Shengqing, et al. Research on the influence of the position detection error to the PMSM drive system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(4): 911- 918.

[6] Yang S C, Hsu Y L. Full speed region sensorless drive of permanent-magnet machine combining saliency-based and back-EMF-based drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(2): 1092-1101.

[7] 談微中, 嚴新平, 劉正林, 等. 無軸輪緣推進系統的研究現狀與展望[J]. 武漢理工大學學報: 交通科學與工程版, 2015, 39(3): 601-605.

Tan Weizhong, Yan Xinping, Liu Zhenglin, et al. Technology development and prospect of shaftless rim-driven propulsion system[J]. Journal of Wuhan University of Technology: Transportation Science & Engineering, 2015, 39(3): 601-605.

[8] 林衛鵬, 湯寧平, 章金晶. 同步磁阻電動機無位置傳感器控制的自起動方法[J]. 電氣技術, 2018, 19(2): 16-21.

Lin Weipeng, Tang Ningping, Zhang Jinjing. Self- starting method for sensorless control of synchronous reluctance motor[J]. Electrical Engineering Magazine, 2018, 19(2): 16-21.

[9] Zhu Zhiqiang, Gong Liuming. Investigation of effectiveness of sensorless operation in carrier-signal- injection-based sensorless-control methods[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 58(8): 3431-3439.

[10] Zhang Xing, Li Haoyuan, Yang Shuying, et al. Improved initial rotor position estimation for PMSM drives based on HF pulsating voltage signal injection[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(6): 4702-4713.

[11] 高健偉. 基于高頻注入法的永磁同步電機轉子位置估計誤差的分析[D]. 濟南: 山東大學, 2012.

[12] 田士俠. 高頻注入法永磁同步電機轉子位置檢測方法研究[D]. 濟南: 山東大學, 2010.

[13] Wang Gaolin, Yang Lei, Zhang Guoqiang, et al. Comparative investigation of pseudorandom high frequency signal injection schemes for sensorless IPMSM drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(3): 2123-2132.

[14] 吳春. 永磁同步電機調速系統無位置傳感器控制技術研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2015.

[15] 李浩源, 張興, 楊淑英, 等. 基于旋轉高頻注入的內置式永磁同步電機初始位置檢測算法[J]. 電工技術學報, 2018, 33(8): 1724-1731.

Li Haoyuan, Zhang Xing, Yang Shuying, et al. A detecting algorithm for initial position of interior permanent magnet synchronous motor based on rotating high frequency injection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(8): 1724- 1731.

[16] 楊健, 楊淑英, 李浩源, 等. 基于高頻旋轉電壓注入的永磁同步電機轉子初始位置估計方法[J]. 電工技術學報, 2018, 33(15): 3547-3555.

Yang Jian, Yang Shuying, Li Haoyuan, et al. Initial rotor position estimation for IPMSM based on high frequency rotating voltage injection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(15): 3547-3555.

[17] 劉善宏, 楊淑英, 李浩源, 等. 基于旋轉坐標系解調的內置式永磁同步電機旋轉高頻注入法位置觀測[J]. 電工技術學報, 2020, 35(4): 709-716.

Liu Shanhong, Yang Shuying, Li Haoyuan, et al. Rotating high frequency signal injection based on interior permanent magnet synchronous motor rotor position estimation with the demodulation imple- mented on the synchronous reference frame[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(4): 709-716.

[18] 龍丁. 交流伺服系統諧振陷波器參數自整定研究[D]. 武漢: 武漢科技大學, 2019.

[19] 鄭堃, 周林, 龍貴欣, 等. 一種針對數字控制下光伏并網逆變器的陷波器滯后補償方法[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(6): 1749-1757.

Zheng Kun, Zhou Lin, Long Guixin, et al. A lag compensation method based on notch filter for PV grid-connected inverter under digital control[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(6): 1749-1757.

Sensorless Control Strategy of Improved HF Rotating Voltage Injection Based on Estimated Position Feedback Current Demodulation Algorithm

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

High frequency (HF) rotating voltage injection method is widely used to estimate the rotor position in zero- and low-speed zone for permanent magnet synchronous motor (PMSM), where synchronous frame high-pass filter (SFHF) algorithm is employed for current demodulation. However, the disadvantage of the SFHF algorithm is that not only the current demodulation process is complicated, but also the position error changes with speed. To this end, a current demodulation algorithm based on the estimated position feedback (EPF) is proposed. On one hand, the efficient position error compensation strategy is designed with the EPF algorithm, which helps to eliminate the influence of speed on the accuracy of position estimation. On the other hand, a notch filter (NF) is employed in the position loop to eliminate the harmonic components, which expands the closed-loop bandwidth of the position loop effectively. Thus, the dynamic performance of position estimation is improved under fast acceleration and deceleration conditions. In this paper, the implementation of the traditional HF rotating voltage injection method is reviewed. Then, the EPF current demodulation algorithm and the position estimation error compensation strategy are introduced in detail. Moreover, the principle to expand the position loop bandwidth with NF is analyzed. Finally, the feasibility of the proposed strategy is verified through an PMSM experimental platform.

Permanent magnet synchronous motor, high frequency rotating voltage injection method, synchronous frame high-pass filter, current demodulation, estimated position feedback

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201210

TM351

麥志勤 男，1992年生，博士研究生，研究方向為永磁同步電機無位置傳感器控制技術。E-mail: 827239136@qq.com

鄭云波 女，1990年生，講師，研究方向為大功率電力電子與電氣傳動。E-mail: 442108718@ qq.com（通信作者）

2020-09-18

2021-01-05

國防科技卓越青年基金（2018-JCJQ-ZQ-002）和國家自然科學基金青年基金（51807200）資助項目。

（編輯 陳 誠）