摘要：本文提出了一种采用高频方波注入法的IPMSM（内置式永磁同步电机）无传感器速度控制方法。在所提出的高频脉动方波注入方法中，将注入电压施加到估计的转子d轴，并采用高频感应q轴电流来估计转子位置。传统的方波注入方法可能需要复杂的解调过程得到转子位置，而在所提出的方法中，实现了基于注入电压和载波感应q轴电流的上升下降沿的简单解调过程，需要更少的处理时间并提高了控制带宽。与一些基于显著性的无传感器方法不同，所提出的方法使用每安培最大转矩（MTPA）策略，而不是d轴电流为0策略，以提高控制性能。

1引言

      无传感器驱动算法可以根据机器显著性分为静止和低速操作方法，以及基于反电动势（BEMF）的中高速区域。许多基于BEMF的无传感器技术主要应用于中高速领域，如模型参考自适应系统（MRAS）、滑模观测器（SMO）和扩展卡尔曼滤波器（EKF）。然而，由于在零/低速值下缺乏BEMF，这些方法在静止低速区域变得无用。基于BEMF的无传感器方法可用于所有类型的PMSM，包括中高速范围内的表面安装永磁同步电机（SPMSM）和内部永磁同步电动机（IPMSM）。另一方面，对于静止和低速区域，已经研究了一些基于机器显著性的高频（HF）信号注入无传感器技术。已经证明，由于定子绕组上的高频注入电压，转子位置信息可以从负序载波电流或零序载波电压中提取。HF注入方法的合成载波电流或电压是机器显著性值和转子位置误差的函数。因此，这些技术可用于IPM同步电机，因为IPM同步机具有电感显著性，其性能因SPM类型而降低。

      高频信号注入方法按注入信号形状分为正弦波注入和方波注入方法。正弦电压注入方法分为三种常用方法：在静止参考系中的旋转信号注入，在估计的同步参考系中脉冲信号注入，以及在估计的反向旋转的同步系中以逆时针转子两倍电速度脉冲注入。事实证明，与旋转注入相比，基于载波电流传感的高频脉冲注入方法在带宽增强和稳定性方面具有更多优势。此外，已证明基于零序电压的HF注入方法与注入频率无关，这导致更高的注入频率和带宽增强。基于零序电压传感的逆时针脉动注入方法更适合，因为零序电压传感方法的优点与脉动注入方法相结合。然而，为了测量零序电压，需要一个额外的A/D转换器通道和一个到机器中性点的通道。

      尽管高频正弦注入方法更容易实现，但由于PWM频率有限，这些方法会产生低频注入，从而产生高频正弦波。相比之下，由于没有带通和低通滤波器，方波信号注入方法能够提高注入频率，从而提高带宽。尽管与正弦波注入类型相比，方波注入方法具有更多优势，但当需要高频注入信号时，由于电压幅度的增加，这些方法增加了铁损耗和声学噪声。此外，传统的方波注入方法可能需要在非常短的时间内完成复杂的解调过程，以找到可能对电流测量噪声敏感的转子位置。

      本文提出了一种基于电流传感方法和每安培最大转矩策略（MTPA）的高频方波信号注入技术，由于方波注入的利用，该技术增加了基于高频信号注入的无传感器算法的带宽。在该方法中，在PWM时间间隔测量所需的相电流，其中ADC单元与PWM单元同步。基于q轴电流指令和电转矩方程的每安培最大转矩策略也用于改善控制性能。此外，还使用了一种简单的技术来确定在永磁电机初始状态下非常重要的磁体极性。

2 高频注入法分析

A. IPMSM的数学模型

       IPMSM的动态模型可以描述为：

式(1)可以简化为电感负载方程式(2)

B. 脉动信号注入模型

       表示估计的同步参考帧，dq表示实际的同步参考帧，αβ以及表示静止参考系。和分别是实际和估计的电转子位置。在PMSM中，固定参考系中的dq磁链可以写成。高频αβ电流分量可由(3)驱动，

由式4所示：

为了在估计的同步参考系中开发脉动信号注入方法，式(4)可以通过使用park变换转换为:

式(5)带入式(4)简化得到式(6)：

      另一方面，所估计的同步参考系中的高频磁链分量可以由电压方程代替:

 把式(7)带入式(6)并简化得：

式(8)可用于正弦电压注入和方波电压注入方法。为了评估式(8)的有效性，将其作为脉动正弦电压注入方法的示例进行分析。对于正弦脉冲注入法，估计d轴上的注入电压如式(9)所示:

式(9)代入式(8), 实际转子位置和估计转子位置之间的差可以从所得的q轴电流中提取。

式(12)对于估计的同步参考系中的高频正弦脉动注入方法是有效的。

3 脉动方波信号注入方法

A. 无传感器位置估计

式(13)代入式(8)可以获得方波电压注入的基本方程:

通过将q轴电流作为感应载波电流：

通过考虑注入电压，式(15)可改写如下：

在注入电压的下降沿使用微分算子，式(16)可改写如下：

B. 每安培最大扭矩策略

       在大多数高频注入方法中，d轴电流为零的策略，即id*=0用于控制d轴磁通。通过使用MTPA策略，合成扭矩增加，机器性能也随之提高。在所提出的高频方波注入方法中，在IPM同步电机中使用基于转矩方程的简单MTPA策略来改善基于高频注入的无传感器驱动的性能。在IPM同步电机中，总驱动转矩包括两个分量：第一个是由转子磁通量和q轴电流相互作用引起的电磁转矩，第二个是由电机显著性和轴电流之间的相互作用产生的磁阻转矩。IPM同步电动机中的总驱动转矩通常可以描述为:

(18)

为了获得每安培的最大转矩条件，定子电流约束:

q轴电流的最大值计算为:

式(20)代入式(18)，其中总驱动转矩具有最大值:

为了找到IPM总驱动转矩达到最大值的d轴电流，当

因此，总驱动转矩具有最大值的d轴电流基准被计算为：

4 结语

      本文提出了一种用于IMPSM无传感器控制的高频方波电压注入方法。载波感应的q轴电流和d轴电流用于位置估计。所提出方法的总结优点如下：在所提出的方法中，与正弦注入方法和传统方波注入方法不同，使用了基于注入电压和感应q轴电流的上升下降沿的简单解调过程，这导致了更少的处理时间和改进的无传感器控制带宽。

       相同的注入电压用于位置估计,从而快速搜索初始转子位置。使用基于q轴电流参考和dq轴电感的MTPA算法来改善无传感器控制性能，而不是d轴电流为0控制。