D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.07.048 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju.2008 基于卡尔曼滤波和高频信号注入法的永磁同步电机 转子位置自检测 周晓敏王长松钟黎萍 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要永磁同步电机的运动控制是一个强耦合的非线性动态控制系统，而且在控制过程中测量数据带有噪声，采用传统的 线性控制理论很难达到系统要求·提出一种非线性系统的随机观测器一卡尔曼位置观测器，它用于高频信号注入法下的转 子位置检测，利用脉动高频信号注入法进行永磁同步电机转子位置自检测，将产生的高频载波电流解调后，送入设计的卡尔 曼位置观测器，可有效去除干扰噪声，准确观测出转子位置.仿真实验结果表明，在有系统噪声和测量噪声的情况下，基于卡 尔曼位置观测器的脉动高频信号注入法能够精确地跟踪转子位置· 关键词永磁同步电机：无位置传感器；高频信号注入法；卡尔曼滤波器：转子位置自检测 分类号TM351 Rotor position self-sensing of a sensorless permanent synchronous motor based on fluctuating high-frequency voltage signal injection and Kalman filter ZHOU Xiaomin,WA NG Changsong,ZHONG Liping School of Mechanical and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The traditional linear control theory can not meet the system requirement of a permanent synchronous motor(PMSM) for its motion control is a coupling and nonlinear control system and measurement noise also exists in the control system.A method to estimate the rotor position of PMSM was presented based on fluctuating high-frequency voltage signal injection and Kalman rotor posi- tion-estimator.When a fluctuating high-frequency voltage signal was injected into stator winding,the corresponding current signal containing the information of rotor position was demodulated and delivered into the Kalman rotorposition-estimator.Then the rotor position would be detected accurately.Simulation results verified the method can track the rotor position accurately,even though sys- tem noise and measurement noise exist in the control system. KEY WORDS permanent synchronous motor (PMSM):position sensorless:high-frequency signal injection:Kalman filter:rotor position self-sensing 基于高频信号注入法的无位置传感器永磁同步 频电压信号，在静止坐标系下表现为脉动电压信号， 电机转子位置自检测技术，利用电动机的凸极效应 此方法对▣轴产生的转矩电流影响小，产生的电磁 跟踪转子的位置，可以实现电机在低速以及零速情 转矩脉动小，而且系统结构相对简单，还可应用于面 况下转子位置的检测，且对电机参数的变化不敏感、 贴式永磁同步电机的位置检测) 鲁棒性好，是目前应用非常广泛的一种无位置传感 永磁同步电机(permanent synchronous motor, 器永磁同步电机转子位置自检测技术[②].高频信 PMSM)的运动控制是一个强耦合的非线性动态控 号注入法从注入信号的性质来分，可以分为旋转高 制系统，在控制过程中测量数据带有噪声，采用传统 频信号注入法和脉动高频信号注入法，脉动高频信 的线性控制理论很难达到系统要求，卡尔曼滤波是 号注入法只在转子旋转同步坐标系的d轴注入高 种对非线性系统的随机观测器，当系统存在系统 收稿日期：2007-06-24修回日期：2007-10-08 作者简介：周晓敏(1975一)，女，博士研究生；王长松(l947一)，男，教授，博士，Emal:cswang@me.ustb.edu,cm基于卡尔曼滤波和高频信号注入法的永磁同步电机 转子位置自检测 周晓敏 王长松 钟黎萍 北京科技大学机械工程学院‚北京100083 摘 要 永磁同步电机的运动控制是一个强耦合的非线性动态控制系统‚而且在控制过程中测量数据带有噪声‚采用传统的 线性控制理论很难达到系统要求．提出一种非线性系统的随机观测器———卡尔曼位置观测器‚它用于高频信号注入法下的转 子位置检测．利用脉动高频信号注入法进行永磁同步电机转子位置自检测‚将产生的高频载波电流解调后‚送入设计的卡尔 曼位置观测器‚可有效去除干扰噪声‚准确观测出转子位置．仿真实验结果表明‚在有系统噪声和测量噪声的情况下‚基于卡 尔曼位置观测器的脉动高频信号注入法能够精确地跟踪转子位置． 关键词 永磁同步电机；无位置传感器；高频信号注入法；卡尔曼滤波器；转子位置自检测 分类号 T M351 Rotor position self-sensing of a sensorless permanent synchronous motor based on fluctuating high-frequency voltage signal injection and Kalman filter ZHOU Xiaomin‚W A NG Changsong‚ZHONG Liping School of Mechanical and Engineering‚University of Science and Technology Beijing‚Beijing100083‚China ABSTRACT T he traditional linear control theory can not meet the system requirement of a permanent synchronous motor （PMSM） for its motion control is a coupling and nonlinear control system and measurement noise also exists in the control system．A method to estimate the rotor position of PMSM was presented based on fluctuating high-frequency voltage signal injection and Kalman rotor-posi￾tion-estimator．When a fluctuating high-frequency voltage signal was injected into stator winding‚the corresponding current signal containing the information of rotor position was demodulated and delivered into the Kalman rotor-position-estimator．T hen the rotor position would be detected accurately．Simulation results verified the method can track the rotor position accurately‚even though sys￾tem noise and measurement noise exist in the control system． KEY WORDS permanent synchronous motor （PMSM）；position sensorless；high-frequency signal injection；Kalman filter；rotor position self-sensing 收稿日期：2007-06-24 修回日期：2007-10-08 作者简介：周晓敏（1975—）‚女‚博士研究生；王长松（1947—）‚男‚教授‚博士‚E-mail：cswang＠me．ustb．edu．cn 基于高频信号注入法的无位置传感器永磁同步 电机转子位置自检测技术‚利用电动机的凸极效应 跟踪转子的位置‚可以实现电机在低速以及零速情 况下转子位置的检测‚且对电机参数的变化不敏感、 鲁棒性好‚是目前应用非常广泛的一种无位置传感 器永磁同步电机转子位置自检测技术［1—2］．高频信 号注入法从注入信号的性质来分‚可以分为旋转高 频信号注入法和脉动高频信号注入法．脉动高频信 号注入法只在转子旋转同步坐标系的 d 轴注入高 频电压信号‚在静止坐标系下表现为脉动电压信号‚ 此方法对 q 轴产生的转矩电流影响小‚产生的电磁 转矩脉动小‚而且系统结构相对简单‚还可应用于面 贴式永磁同步电机的位置检测［3—4］． 永磁同步电机（permanent synchronous motor‚ PMSM）的运动控制是一个强耦合的非线性动态控 制系统‚在控制过程中测量数据带有噪声‚采用传统 的线性控制理论很难达到系统要求．卡尔曼滤波是 一种对非线性系统的随机观测器‚当系统存在系统 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．048