1简介

矢量控制是PMSM最流行的控制策略。为了将电流矢量变换在转子q轴上，需要转子位置信息，这需要使用位置传感器来获取转子位置信息。为了降低驱动系统的成本并提高可靠性，通常在PMSM控制系统中使用无传感器控制。大致来说，有两种不同的位置估计方法：基于电机电压模型的方法和基于电机电流模型的方法。在基于电压模型的方法中，转子位置信息是从反电动势（back-EMF）相关的转子位置观测器中获得的。在基于电流模型的方法中，转子位置信息是从包含转子信息的电流信号中提取的。例如，通过检测一个PWM周期内的电流信号，可以估算出转子位置。本文提出了一种新的PMSM无传感器控制方法，在两个相邻的PI调节PWM周期之间插入零电压矢量。这相当于在开关频率的一半处注入准方波电压波形。与传统的高频注入方法相比，在本文提出的方法中，无需使用滤波器从测量的电流纹波中提取位置信息。在电流环中消除滤波器可能增加控制带宽，同时在注入零电压矢量时，可以消除由逆变器死区引起的输出电压误差，从而最小化逆变器的非线性效应。本文提出的方法与电机参数无关，这是它的优点。

2永磁同步电机的控制策略

2.1永磁同步电机的模型

所提出的无传感器控制方法基于具有三相平衡的PMSM。电机模型在dq坐标系下的电压方程是众所周知的，

2.2永磁同步电机的磁场定向控制

在高性能驱动系统中，磁场定向控制（FOC）是永磁同步电机（PMSM）的传统控制策略。在传统的FOC系统中，电机的abc坐标系电压和电流被变换为旋转dq坐标系。因此，需要转子位置来进行坐标系的转换。转子位置角可以通过编码器等方式获取。然而，在无传感器控制系统中，需要从估算器获取转子位置和速度信息。在FOC系统中，转子速度用作反馈，与参考速度进行比较，并使用PI控制器来获取q轴电流指令。通常情况下，d轴上的参考电流被设置为零，适用于PMSM驱动系统。dq坐标系下的电压指令都由使用参考电流和实际电流作为输入的PI控制器给出。然后，通过使用转子位置信息，将这两个电压指令转换为abc坐标系下的电压信号，最终由逆变器脉冲宽度调制技术确定逆变器的开关信号。

3实验结果

在一个实验驱动系统上对第三节中讨论的所提出的方法进行了测试。实验平台采用SMPMSM、DC电机作为负载、带有接口板的DSP-F28335控制器，以及Danfoss Drive A/S、FC302 Automation Drive作为逆变器，使用了一个2048脉冲的增量式编码器来获取实际转子位置和速度。

先，将测试电机以300 rpm（10 Hz电频率）运行。从编码器获取的转子位置和速度信息用于FOC。下面显示的正位置误差表示估计的坐标系滞后于真实的dq坐标系。

可以观察到，在机器没有负载时，估计的转子位置与真实转子位置相比，有±1.5度的波动和-1度的直流偏差。当将额定负载的75%施加到电机上时，驱动系统具有快速的瞬态响应。估计的转子位置波动缩小到±1度，并且在转子位置误差中出现+4度的直流偏差。估计的转子位置滞后于真实转子位置4度。需要注意的是，由于实际位置用于控制电流矢量位于实际的q轴上，因此会存在非零的估算d轴电流。方程（8）推导出的情况要求估计的d轴为零。这需要将FOC的内电流环放在估计的dq坐标系下。当施加额定负载的100%时，在瞬态期间最大位置误差为-22.5度。在负载稳态下，转子位置误差和d轴电流都几乎回到了0。当负载突然移除时，瞬态位置误差较小，约为+8度。估算的转子位置误差的波动在无负载和负载操作中都约为±2度。

在FOC中使用估计的转子位置时，应用了补偿项后，电机以其他速度运行时的实验结果。当速度增加到600 rpm时，100%负载变化导致位置误差分别为-15度（负载增加）和+6度（负载减少）。在稳态下，转子位置误差的波动降低到±1度。当速度参考上升时，估计的转子位置滞后约28度。当速度参考下降时，估计的转子位置领先真实位置约36度。

在FOC中同时使用估计的转子位置和PLL估计的速度时的系统性能。与从编码器获取的速度相比，估计的速度具有更大的波动。当以600 rpm运行并施加全负载时，峰值转子位置误差约为-18度。当负载被移除时，瞬态误差减小，类似于以前的结果。

4结论

本文提出了一种简单的零电压矢量注入方法，用于转子位置估算。通过注入周期前后的电流样本直接估算转子位置。所提出的算法不需要FOC电流控制环中的低通滤波器，仅需要单次注入即可估算转子位置。实验结果表明，所提出的方法能够在稳态和负载增加或减小的瞬态期间都提供良好的估算转子位置和速度信息。