[论文解读] A New Signal Injection-based Method for Estimation of Position in Interior Permanent Magnet Synchronous Motors

Bowen Yi, Slobodan N. Vukosavić+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2019

Sensorless Control of Electric Motors参考文献 27被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于信号注入的新型方法，用于在低速和静止状态下对内置式永磁同步电机（IPMSM）的转子位置进行估计，采用基于平均化技术的理论框架，以提高传统LTI滤波的精度。该方法利用线性算子实现高效计算，在521 V直流母线和5-kHz PWM条件下进行的实验中表现出优越性能，尤其在200–400 Hz的注入频率范围内表现最佳。

ABSTRACT

Several heuristic procedures to estimate the rotor position of permanent magnet synchronous motors (PMSM) via signal injection have been reported in the literature. Using averaging theory, a framework to analyse such schemes has been recently proposed. However, to the best of our knowledge, no theoretical analysis of the performance of the conventional linear time invariant filtering methods, which are widely used as standard industrial practice, has been reported in the literature. The objective of this note is to propose a new method that, on one hand, is amenable to a rigorous theoretical analysis and, on the other hand, ensures an improved accuracy in the position estimation. An additional advantage of the new method is that it relies on the use of linear operators, implementable with simple computations. The effectiveness of the proposed scheme is assessed by experiments on an interior PMSM platform driven by a 521 V DC bus with 5-kHz PWM.

研究动机与目标

• 开发一种理论框架，用于分析基于信号注入的IPMSM传感器less控制中传统LTI滤波的性能。
• 提出一种新型位置估计方法，以提升精度，同时保持与现有滤波技术的兼容性。
• 通过线性算子理论，建立新方法与经典LTI滤波之间的联系。
• 在各种运行条件下（包括低速、负载变化和速度反转）对所提方法进行实验验证。

提出的方法

• 该方法应用平均化技术，对IPMSM中高频信号注入引起的定子电流响应进行建模，从而实现对位置估计误差的理论分析。
• 推导出一个关键恒等式（公式7），用于关联定子电流的高频分量与转子位置，构成新估计器的基础。
• 所提出的估计器采用线性算子进行计算，确保方法简单且具备实时实现能力。
• 该方法统一于HPF/LPF信号处理框架内，与传统方法建立联系。
• 推导出相对于注入频率 $\omega_h$ 的理论误差界，确保误差有界且收敛。
• 在521 V直流母线系统和5-kHz PWM条件下进行实验验证，测试了在不同速度、负载和注入频率下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对传统LTI滤波在基于信号注入的位置估计中的性能进行理论分析？
• RQ2 新提出的估计器与现有LTI滤波技术在信号处理结构上存在何种关系？
• RQ3 能否设计一种新估计器，以提升精度，同时保持计算简单性并兼容现有方法？
• RQ4 注入频率如何影响估计精度？其在实际应用中的最优范围是什么？
• RQ5 在低速下，负载变化和速度反转条件下，所提方法的性能如何？

主要发现

• 与传统LTI滤波相比，所提方法在低速和静止状态下实现了更高的估计精度。
• 实验结果表明，200–400 Hz的注入频率范围可获得最佳性能，且在更高频率下信噪比下降。
• 在40 RPM下，无论负载恒定或变化，该方法均保持令人满意的性能，仅在重载下观察到轻微失真。
• 从+20 RPM到-20 RPM的速度反转过程被成功跟踪，证明了该方法在动态条件下的鲁棒性。
• 理论框架保证了误差相对于注入频率 $\omega_h$ 的有界性，为该方法提供了坚实的分析基础。
• 正式建立了新估计器与经典LTI滤波之间的联系，表明其在HPF/LPF信号处理范式下的统一性。