王曉琳 劉思豪 顧 聰

基于自適應基準鎖相環(huán)的高速永磁電機轉子位置誤差全補償方法

王曉琳 劉思豪 顧 聰

（南京航空航天大學自動化學院 南京 211106）

轉子位置信息的精度影響高速永磁同步電機的運行性能，在高速運行條件下，轉子位置估算容易受到環(huán)路濾波器和電機參數偏差等非理想因素的影響。首先，針對轉子位置估算誤差，該文提出一種自適應基準鎖相環(huán)，主要思想是鎖相環(huán)通過誤差重構，實現對基頻相關誤差補償。在此基礎上，以最小電流為目標自適應調節(jié)鎖相環(huán)的鎖相基準，實現對非基頻相關誤差的補償，最終實現對位置誤差的全補償，該方法實現簡單、參數依賴性低、魯棒性強。最后，基于一臺高速永磁同步電機進行仿真與實驗，結果驗證了所提出方法的有效性。

高速永磁同步電機 轉子磁鏈觀測器 位置估算誤差 鎖相環(huán)

0 引言

在高速運行條件下，采用無位置傳感器算法容易受到諸多非理想因素的影響，造成明顯的轉子位置估算誤差。文獻[16]為消除由于逆變器的非線性以及空間諧波所造成位置信號中存在6次脈動，提出一種基于自適應濾波的位置估算方法。文獻[17-18]通過對電機參數在線辨識，提高位置估算的準確性，但電機參數辨識模型復雜，降低了系統(tǒng)的實時性。文獻[19]為消除信號中諧波的影響，提出一種同步頻率提取濾波器，能夠直接提取出信號中的基波分量。文獻[20]提出一種基于誤差特征量的閉環(huán)位置誤差補償方法，根據轉子位置誤差在直軸上的特征分量對轉子位置進行閉環(huán)調節(jié)，該方法實現簡單，但是對電感參數有一定的依賴。文獻[21]提出一種雙重鎖相環(huán)，在正交鎖相環(huán)的基礎上，對延遲重構信號進行二次鎖相以補償位置誤差。文獻[22-23]通過追蹤最小電流以實現對位置誤差的補償，此方法實現簡單且不依賴任何參數，魯棒性強，但是容易導引起穩(wěn)態(tài)時的電流抖振，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文首先對高速運行條件下環(huán)路濾波器、電感參數偏差或電壓電流采樣偏差等非理想因素所造成的轉子位置估算誤差進行分析，并歸納為基頻相關和非基頻兩種類型。為統(tǒng)一補償各類位置估測誤差，本文提出一種基于自適應基準鎖相環(huán)的轉子位置誤差全補償方法：一方面，對誤差信號進行重構，并通過鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop, PLL）得到與基頻相關誤差的補償值；另一方面，鎖相環(huán)基準隨最小電流目標值進行自適應實時調整，從而到達對非基頻相關誤差的補償。最后，本文基于一臺高速永磁同步電機進行仿真與實驗，驗證了所提出的轉子位置估算誤差全補償方法的有效性。

1 轉子磁鏈觀測器及位置估算誤差分析

1.1 轉子磁鏈觀測器原理

由于磁鏈觀測器中存在純積分環(huán)節(jié)，易受積分初值與直流分量的影響，因此，采用高通濾波器（High-Pass Filter, HPF）與純積分環(huán)節(jié)串聯。為消除高頻諧波與干擾信號，還需在觀測器的輸入串聯低通濾波器（Low-Pass Filter, LPF）。經上述改進后，轉子磁鏈觀測器的結構框圖如圖1所示。

圖1 轉子磁鏈觀測器結構框圖

1.2 轉子位置估算誤差分析

在高速電機驅動系統(tǒng)中，根據轉子位置誤差與基頻的相關性定義為基頻相關誤差和非基頻相關誤差，下面對這兩類誤差進行具體分析。

1.2.1 基頻相關誤差

1.2.2 非基頻相關誤差

綜上所述，采用轉子磁鏈觀測器估算轉子位置時，環(huán)路濾波器和電感參數偏差均會造成一定的位置誤差，其中，電感參數偏差等其他非理想因素所造成的位置誤差無法準確定量，難以補償。因此，探究有效的位置誤差全補償策略，是提升電機運行性能的關鍵所在。

2 一種位置估算誤差全補償方法

本文所提出的轉子位置估算誤差全補償方法主要包括鎖相環(huán)和鎖相基準自適應調整兩部分，下面分別對這兩部進行分析。

2.1 基于鎖相環(huán)的轉子位置估算誤差補償

圖3 鎖相環(huán)位置補償原理

圖4 鎖相環(huán)位置誤差補償框圖

2.2 鎖相基準自適應調整

圖5 鎖相基準調整

圖6 電流與位置誤差的關系

圖8 基于自適應基準鎖相環(huán)轉子位置估計器結構

3 仿真與實驗驗證

為充分驗證本文所提出的轉子位置估算誤差全補償方法的有效性，本文基于一臺高速永磁同步電機進行仿真和實驗驗證，樣機主要參數見表1。

表1 樣機主要參數

Tab.1 The main parameters of the motor

3.1 仿真驗證

圖9 基于鎖相環(huán)仿真結果（鎖相基準為0）

圖10 鎖相環(huán)的動態(tài)響應性能

圖11 考慮時鎖相環(huán)仿真結果（鎖相基準為0）

圖12 不同程度所造成的位置誤差

圖13 基于自適應鎖相基準鎖相環(huán)仿真結果

圖14 自適應基準鎖相環(huán)動態(tài)響應性能

3.2 實驗驗證

為驗證自適應基準鎖相環(huán)的有效性，本文搭建基于TMS320F28377D和GaNFET功率器件的高速驅動平臺，相應電機與驅動平臺如圖16所示，該電機帶葉輪負載。

圖15 負載突變時自適應鎖相基準鎖相環(huán)仿真結果

圖16 高速永磁同步電機與驅動平臺

圖18所示為鎖相環(huán)補償算法切入瞬間的動態(tài)響應實驗結果，可以看出，電流減小到最小值后，又稍微增大，體現出單獨采用鎖相環(huán)補償位置誤差時，會造成“過補償”。

圖17 基于鎖相環(huán)的實驗結果（鎖相基準為0）

圖18 鎖相環(huán)動態(tài)響應性能

圖19 基于自適應基準鎖相環(huán)的補償效果

圖20 自適應基準PLL動態(tài)響應性能

圖21 自適應基準鎖相環(huán)動態(tài)性能實驗結果

綜上所述，本文通過較為全面的仿真和實驗結果對比分析，驗證了所提出的自適應基準鎖相環(huán)的有效性。

4 結論

本文提出了一種適用于高速永磁同步電機的轉子位置估算誤差全補償方法，能夠實現對環(huán)路濾波器和電感參數偏差所造成誤差的補償，所提出方法的優(yōu)勢在于：

1）無需對位置估算誤差準確定量，即可實現對位置估算誤差的全補償。

2）補償算法中未引入敏感參數，具有一定的魯棒性。

3）該方法與轉子磁鏈觀測器相配合，在電感參數誤差為100%的情況下，能夠準確地估計轉子位置，提高了轉子磁鏈觀測器的適用性和魯棒性。最后，通過仿真和實驗，驗證了本文所提出方法的有 效性。

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A Rotor Position Error Compensation Algorithm for High-Speed Permanent Magnet Motor Based on Phase-Locked Loop with Adaptive Reference

（College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China）

The accuracy of rotor position information affects the performance of high-speed permanent magnet synchronous motor (HSPMSM). The rotor position estimation is vulnerable to some non-ideal factors at high speed, such as the filters and the deviations of motor parameters. In this paper, a phase-locked loop with adaptive phase-locked reference is proposed to eliminate the rotor position error. The main idea of the proposed method is that the position error related to the fundamental frequency is compensated by reconstructing the position error with phase-locked loop (PLL). The reference of phase-locked loop is adjusted adaptively to minimize the current and compensate the position error of non-fundamental frequency. In this way, the position error is fully compensated. The proposed method has the advantages of simple implementation, low parameter-dependence and strong robustness. Finally, simulations and experiments were conducted on a HSPMSM, and the results verified the effectiveness of the proposed method.

High-speed permanent magnet synchronous motor（HSPMSM）, rotor flux observer, position estimated error, phase-locked loop

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200658

TM351

王曉琳 男，1976年生，教授，研究方向為永磁電機、無軸承電機，高速電機的驅動和控制。E-mail: wangxl@nuaa.edu.cn（通信作者）

劉思豪 男，1994年生，碩士研究生，研究方向為高速永磁電機控制。E-mail: 1354489565@qq.com

2020-06-16

2020-08-01

國家自然科學基金（5217070613）和江蘇省自然科學基金（BK20201297）資助項目。

（編輯 崔文靜）