1引言

      在交流电机驱动中，脉宽调制逆变器产生的非正弦电压可能会导致多种问题。首先，高变化率的电压(即高du/dt)可能会给定子绕组绝缘带来过大的电压应力。此外，高变化率的电压还可能通过定子绕组的寄生电容引起泄漏电流，从而产生轴承电流。电压谐波也可能导致声学噪声和功率损失。对于高速实心转子电机，涡流引起的损耗是一个特别需要关注的问题。因此，为了保证电机的安全和可靠运行，需要采取措施来降低这些负面影响。

      为了解决逆变器输出电压非正弦的问题，常见的方法是使用逆变器输出滤波器，其中LC滤波器是一种典型选择。然而，使用滤波器会使电机控制更加困难，通常需要采用矢量控制方法来获得更好的控制性能。同时，在使用滤波器时，还需要考虑滤波器动态特性。

      本文提出了一种混合观测器，其中将速度自适应的全阶观测器[1]与在低速时脉冲高频信号注入技术相结合。研究了逆变器输出LC滤波器对信号注入的影响，并解决了滤波器对信号注入所引起的问题。研究表明，如果选择适当的注入电压信号频率，则即使有滤波器，信号注入方法仍然是可行的。为了使信号注入方法兼容，分析了系统的频域动态特性。

2 滤波器和电机模型

永磁同步电机和LC滤波器在同步旋转坐标系下的d−q参考系中建模：

RLf为滤波器电感的串联电阻，Cf为滤波器电容。

3 控制系统

      在估计转子参考系中，实现了级联控制和速度自适应全阶观测器。通过对转子位置的积分，可以得到转子位置的估计值。逆变器电流、定子电压和定子电流由PI控制器控制，并补偿由于旋转参考系引起的交叉耦合。计算定子电流参考采用每电流最大转矩法。转子速度由带有主动阻尼的PI控制器控制。

4 观测器设计

    下面介绍在提出的速度自适应全阶观测器中，采用高频(high-Frequency,HF)信号注入技术来稳定低速时观测器的增益。这两种方法采用类似的方式进行组合。观测器增益被修改以更好地兼容HF信号注入方法。

A.HF信号注入

      将离散电压脉冲注入电机，以检测电感变化。另一种方案是将连续电压信号注入电机。电压信号可以在静止参考系中旋转，也可以在估计的转子参考系中交替。通过检测HF电流幅度的最大值和最小值或通过解调电流信号来估计转子位置，以便获得与转子位置估计误差成比例的误差信号。也可以通过计算两个正交的HF电流分量的平方之差来得到误差信号，这两个分量分别沿着d轴的正方向和负方向偏移。

     在本文中，自适应全阶观测器主要用于估计。HF信号注入方法用于观测器中的校正，并且为此目的，需要与转子位置估计误差成比例的误差信号。与旋转信号注入相比，交替信号注入是优选的，因为所产生的HF转矩纹波较低。选择电流信号的解调是因为它在实验中使用的电机的情况下给出了最佳的灵敏度。

载波激励信号如下：

      在估计的转子参考系中，对逆变器电压参考值添加了一个振荡幅度为uc，角频率为Wc 的载波激励信号。在估计的转子参考系的q轴上检测HF电流响应，该HF电流响应由转子位置估计误差进行幅度调制。测量电流的q分量被带通滤波后得到在信号注入频率下HF电流信号iqc变量。然后对当前信号进行解调和低通滤波以提取误差信号：

     本文采用恒定的定子电阻和恒定的d轴和q轴电感进行仿真。实验的永磁同步电机是永磁体内嵌的叠片式转子。测量电感随频率而降低，但在低于1-2 kHz的频率下电感变化很小。即使将150%的标称电流施加到机器上，磁饱和对实验PMSM的影响也可以忽略不计。在实践中，使用恒定参数值获得的信号注入方法的模拟结果与实验结果非常一致。

B.滤波器对信号注入的影响

      为了说明滤波器对高频信号注入的影响，对系统的频率响应进行分析。同时应仔细选择激励频率。如果频率过低，则励磁会干扰控制器。如果激励频率高于滤波器的谐振频率，逆变器q轴电流可能过低，无法进行可靠检测。如果激励频率接近滤波器的谐振频率，则定子电压和逆变器电流可能变得高得令人无法接受。选择低于谐振频率的载波激励信号的频率是合理的。

C.速度自适应全阶观测器

      自适应全阶观测器基于永磁同步电机和LC滤波器的动态模型。逆变器电流用作观测器的反馈信号，并且使用自适应机制来估计转子的电角速度。通过将从式2求解的定子电流插入式1，选择定子磁通量作为表示电机电气动力学的状态变量。观测器由式10表示：

      基于式2计算控制器反馈所需的定子电流的估计值：

      信号注入方法的影响随着转子速度的增加而线性减小，在过渡速度ωΔ处达到零。PI机制的HF激励电压和近似带宽αi都降低了：

     观察者增益被选择为[10]:

      当用信号注入方法增强观测器时，由于符号函数的不连续性，零速操作变得不稳定。最好使用更平滑的速度相关函数。

5 结论

      在使用逆变器输出LC滤波器时，也可以应用信号注入方法来估计PMSM的转子速度和位置。根据频域分析，应仔细选择信号注入的激励频率，以避免激发滤波器谐振。信号注入方法用于在低速下增强自适应全阶观测器。所提出的无传感器方法的性能与没有LC滤波器的PMSM的性能相当。