基于高频注入和卡尔曼滤波的永磁同步电机无传感器控制

内埋式永磁(IPM)同步电动机因其高效性和恒功率运行时具有较宽的调速范围,在高性能的应用中倍受人们的青睐。通常,高性能的电机驱动需要快速准确的动态响应,良好的抗干扰性能以及不易受参数变化的影响,而影响这些性能的关键因素之一就是位置传感器。机械传感器的存在,增加了电机转子轴上的转动惯量,增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路,系统易受干扰且可靠性下降。另外,传感器使用条件受到如温度、湿度等的限制,并且价格比较昂贵,提高了系统成本。近年来,许多学者开展了无传感器控制的研究。目前,无位置传感器控制方法主要分为两类:一类是检测反电动势的转子位置估算方法,它是基于电机反电动势的位置和速度的相依性。由于在低速和零速时,反电动势几乎为零,而且这种方法对于电机参数很敏感,所以其适合于中高速调速。另一类是高频载波信号注入的转子位置估计方法,即是在定子端注入小幅值的高频载波信号,应用稳态坐标中的旋转矢量来跟踪空间凸极效应,适合于电机低速和零速时的转子位置检测。内埋式永磁同步电动机能很好的适应这一技术,因为它具有较明显的凸极效应,即d轴和q轴电感的不同是其转子结构的固有特性。 本文以内埋式永磁同步电动机为研究对象,提出了一种基于高频载波信号注入和卡尔曼滤波的无传感器控制方法。首先,本文对IPM同步电动机的数学模型、高频信号注入的原理以及卡尔曼滤波的算法进行了详细的研究和分析;接着,为了解决IPM同步电机低速时,转子位置难以检测的问题,在两相静止坐标系下的电机定子端注入高频正弦电压载波信号,利用空间凸极跟踪技术,从高频载波电流中取出位置估计的误差信号,其经过卡尔曼滤波器的处理得到转速和位置估计信息。高频载波的解调则通过一个带有外差处理的二阶低通滤波器来实现。最后,采用Matlab/Simulink软件对系统进行了仿真,仿真实验结果证实了这种方法的可行性,其适合于低速和零速时的转子位置和速度估计。