D01:10.133741.isml00103x.2007.12.043 第29卷第12期 北京科技大学学报 Vol.29 No.12 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 基于高频信号注入的永磁电机转子位置 估计方法中的电压输入 钟黎萍周晓敏王长松巩宪锋 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要运用高频信号注入法估计永磁同步电机转子位置要求给电机同时施加基本电压和高频电压，本文讨论了通过采用 PWM调节的逆变器同时注入这两种电压的可行性，并进行了仿真研究.结果表明，只要选择合适的调制信号和载波比就能够 实现电压的叠加输入.同时.对逆变器的非线性行为所带来的影响也作了深入的探讨，证明其仅在电流流过零处对输出结果 产生影响。根据这一特点，提出了相对比较简单的补偿措施，仿真结果证明了这一措施的正确性 关键词永磁电机：高频信号注入：调制波：载波 分类号TM35 高频信号注入法作为一种可行的探测永磁电机 流二极管组成 转子位置的方法，己经日益受到重视.其基本 思想是把一个高频电压（或电流）信号叠加到基波信 号上，共同施加给电机三相绕组，相应的高频电流 (或电压)中将携带有转子位置信息，通过带通滤波 器，把这一电流（或电压）信号抽取出来进行适当的 处理，就能估计出转子的位置.考虑到信号源 产生的便利性，通常把高频电压作为注入信号，具体 图1单相全桥逆变器 又分为旋转电压注入法和脉动电压注入法两 Fig I Single phase full bridge inverter 种9.实际应用中，无论哪一种方法首先要解决 基波电压和高频电压叠加后的输入问题.叠加电压 基波频率为工频50Hz设其调制波为： 的输入，对于直接由交流驱动的电机来说可能比较 ub=sin314t (1) 复杂：但永磁电机的电能一般是通过电压源逆变器 式中，为基波电压的调制信号，1为时间. 提供，这将使叠加电压的输入变得相对容易. 注入的高频电压信号幅值应远小于基波幅值 当电压源逆变器以正弦波脉宽调制方式 频率应远大于基波频率，以免影响电机转矩.故其 (SPWM)运行时，施加在电机端的电压接近正弦. 调制波可设为： 为了在电机端得到基波和高频波的叠加波，可推知 uc=0.Isin6 280t (2) 应该用叠加波取代正弦波作为调制波.为此，本文 式中，。为注入电压的调制信号. 进行了仿真研究，仿真结果验证了这一设想. 叠加后的调制波为： u=sin314t0.Isin6 280t (3) 1高频电压注入的PWM实现 波形如图2所示. 为方便起见，以单相全桥逆变电路为例来研究 选择载波比等于15（一般选3的奇数倍），因此 三角全波载波的频率f:可选为15kHz.调制结果 叠加电压的PWM调制行为.由于三相桥式电路具 如图3所示. 有更好的谐波特性，因此所得的结论将不失一般性. 调制后的脉冲串的频谱如图4所示.从图4可 电路如图1所示，由四个IGBT全控器件和四个续 以看出，经过PWM调制后，电机电压中的谐波分量 收稿日期：200608-13修回日期：2006-11-28 为：50Hz的基波，1kHz的外注高频波，载波及其谐 作者简介：钟黎萍(1970一）男.博士研究生：王长松(1948一)，男. 波，载波及其谐波的上下边频波.载波及其谐波的 教授，博士生导师基于高频信号注入的永磁电机转子位置 估计方法中的电压输入 钟黎萍 周晓敏 王长松 巩宪锋 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 运用高频信号注入法估计永磁同步电机转子位置要求给电机同时施加基本电压和高频电压.本文讨论了通过采用 PWM 调节的逆变器同时注入这两种电压的可行性, 并进行了仿真研究.结果表明, 只要选择合适的调制信号和载波比就能够 实现电压的叠加输入.同时, 对逆变器的非线性行为所带来的影响也作了深入的探讨, 证明其仅在电流流过零处对输出结果 产生影响.根据这一特点, 提出了相对比较简单的补偿措施, 仿真结果证明了这一措施的正确性. 关键词 永磁电机;高频信号注入;调制波;载波 分类号 TM 35 收稿日期:2006-08-13 修回日期:2006-11-28 作者简介:钟黎萍( 1970—) 男, 博士研究生;王长松( 1948—) , 男, 教授, 博士生导师 高频信号注入法作为一种可行的探测永磁电机 转子位置的方法, 已经日益受到重视[ 1-2] .其基本 思想是把一个高频电压( 或电流)信号叠加到基波信 号上, 共同施加给电机三相绕组, 相应的高频电流 (或电压)中将携带有转子位置信息, 通过带通滤波 器, 把这一电流(或电压) 信号抽取出来进行适当的 处理, 就能估计出转子的位置[ 3-6] .考虑到信号源 产生的便利性, 通常把高频电压作为注入信号, 具体 又分为旋转 电压注入 法和脉动 电压注入法 两 种 [ 7-9] .实际应用中, 无论哪一种方法, 首先要解决 基波电压和高频电压叠加后的输入问题 .叠加电压 的输入, 对于直接由交流驱动的电机来说, 可能比较 复杂;但永磁电机的电能一般是通过电压源逆变器 提供, 这将使叠加电压的输入变得相对容易. 当电压 源逆 变器 以正 弦波 脉宽 调制 方 式 ( SPWM ) 运行时, 施加在电机端的电压接近正弦 . 为了在电机端得到基波和高频波的叠加波, 可推知 应该用叠加波取代正弦波作为调制波.为此, 本文 进行了仿真研究, 仿真结果验证了这一设想. 1 高频电压注入的 PWM 实现 为方便起见, 以单相全桥逆变电路为例来研究 叠加电压的 PWM 调制行为 .由于三相桥式电路具 有更好的谐波特性, 因此所得的结论将不失一般性 . 电路如图 1 所示, 由四个 IGBT 全控器件和四个续 流二极管组成. 图 1 单相全桥逆变器 Fig.1 Single phase full bridge inverter 基波频率为工频 50 Hz, 设其调制波为: ub =sin314 t ( 1) 式中, ub 为基波电压的调制信号, t 为时间 . 注入的高频电压信号幅值应远小于基波幅值, 频率应远大于基波频率, 以免影响电机转矩 .故其 调制波可设为: uc =0.1sin6 280 t ( 2) 式中, uc 为注入电压的调制信号. 叠加后的调制波为 : u =sin314 t +0.1sin6 280t ( 3) 波形如图 2 所示. 选择载波比等于 15(一般选 3 的奇数倍), 因此 三角全波载波的频率 fs 可选为 15 kHz .调制结果 如图 3 所示 . 调制后的脉冲串的频谱如图 4 所示.从图 4 可 以看出, 经过 PWM 调制后, 电机电压中的谐波分量 为 :50 Hz 的基波, 1 kHz 的外注高频波, 载波及其谐 波,载波及其谐波的上下边频波.载波及其谐波的 第 29 卷 第 12 期 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.12 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.12.043