PMSM开环矢量脉振高频注入法问题求教

xufeng_0218

最近在做脉振高频注入发检测转子位置，实际项目，不是仿真。电机参数如下：
表贴式永磁同步电机，额定功率22Kw，额定电压380V，额定电流44A，额定频率200Hz，额定转速3000rpm，反电势107V/Kr
用的是脉振高频注入，程序框图如下(从论文中截出来的)：

转子位置和NS级用如下方法判断

位置跟踪观测用的PLL锁相环（那个龙伯格观测器没看懂{:soso_e109:} ）

现在碰到了很多问题不知道怎么解决，不知道有没有人碰到过。
问题1：经过带通滤波（切比雪夫I型），sin（wt）调制后在过低通滤波（切比雪夫II型），滤出来的信号是正负震荡的信号，如果把锁相环的参数调的很小，电机静止时确实可以得到转子位置，但是这个转子位置也是在小幅摆动的。但问题是这样要经过很长的时间才能够收敛到正确位置。
问题2：如上所说，PLL锁相环要调的反应很慢，如果PLL调节的反应速度过快的时候，那个锁相环的PI会输出一个很高的值，导致输出的Theta直接旋转（0~360度后又到0）起来，一旦这样的话那基本上就会发散，再也没办法收敛了。
问题3：磁极方向的信号一直检测不出来，要么就是正负不变，要么就是正负乱变。
不知道大家有没有解决办法，先谢谢啦

winsonhua0614

楼主你实验用的是面贴式的永磁同步电机，这种电机d轴和q轴的电感差异比较小，很难用高频注射确定精确的转子位置。
所以你用的PI调节器，可能很难调到理想的位置值。需要耐心调一下。
另外，用这种PI调节器必须保证电机是静止的，如果电机旋转时，该PI调节器一般不能很好的跟踪实际转子的位置。最好用龙贝格观测器或者其他观测器代替。
最后一个问题，也是由于你用的面贴式的同步机，根据给出的图二，你应该是用的高频2次谐波来检测的。2次谐波本来信噪比就低，再加上是面贴式的，信噪比更低了，估计你很难调了。

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-8 02:02
楼主你实验用的是面贴式的永磁同步电机，这种电机d轴和q轴的电感差异比较小，很难用高频注射确定精确的转子 ...

出差了几天，今天才回来，谢谢您的回答。
用这种方法是因为有同行跳出来了，而且给出的参数看出应该是搞品注入发实现的，但是前几天测了一下他的电流波形，好像没有高频注入，在电机空载的时候他是注入了一的D轴的直流量，不知道是通过什么原理检测的。
还有一个问题，就是我看论文里面说是脉振高频注入可以做面贴式的PMSM的位置检测，是因为这个仅限于仿真吗？
还有您说的龙伯格观测器，对于观测器这一块一直比较模糊，前几天还下了本现在控制理论看，还是比较模糊，不知道您有没有一些好的资料或这书籍推荐？

winsonhua0614

电机空载在D轴注入直流量，不知道是测量什么量，可以再讲清楚下吗？D轴如果有调节器的话，用直流量那么电感肯定测不出的。电阻的话倒是可以，可以观察调节器的输出相当于d轴电压，通过电压方程，应该是可以算出d轴电阻。另外，如果电机旋转的话，同步电机的转子磁链从理论的角度，应该也是可以测出来的。
关于面贴士PMSM位置检测，不管怎么样Ld和Lq是不相等的，但是会很接近，所以脉振高频是可以做的，不过系统的信噪比很低，所以实际的效果不是很理想。要提高信噪比，可以提高脉振高频电压的幅值和降低频率，这样或许可以得到转子位置。得多尝试尝试，从实际中找找经验。
龙贝格观测器的话，百度里面有个天津大学的硕士论文还可以，题目是（基于高频注入法的永磁同步电动机无位置传感器控制研究）作者：王陆一，你可以下下看看，相信对你有帮助。

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-12 05:54
电机空载在D轴注入直流量，不知道是测量什么量，可以再讲清楚下吗？D轴如果有调节器的话，用直流量那么电感 ...

谢谢您的回复。我测试的机器已经在市场上实际使用了，我猜测他用的是反电势的方法检测的转子位置，放弃了低频部分，使用的场合也确实不需要低频部分，因为低频部分是空载，达到一定频率以后才会有负载切入。但是也只是猜测，具体的测不出。
至于您说的那个论文，之前已经看过了，不过可能基础太差了，看的不是很明白，需要恶补基础了{:soso_e109:}

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-12 05:54
电机空载在D轴注入直流量，不知道是测量什么量，可以再讲清楚下吗？D轴如果有调节器的话，用直流量那么电感 ...

至于您说的降低频率和提高电压。
因为电机的额定电压380V，额定频率200H；我现在注入的信号是电压110V,频率500Hz。如果这样做的话会不会影响到电机的转矩特性啊，还有频率降低后，如果电机在额定运行，那注入频率和基波频率很接近，滤波器如果要将两个信号分离，就要加大滤波器阶数。我现在用的是切比雪夫滤波，6阶。
到处都纠结啊{:soso_e149:}

winsonhua0614

不好意思啊，我一直没有注意到你的回复。你这样做的话，结果肯定不理想的了。注入的电压过高会导致：1. 产生的高频电流幅值也相应很大，系统的转矩脉动增大从而导致系统振动和高频噪音。2. 另外，高频电压过大，导致你的基波电压允许的幅值下降（高频电压幅值和基波定压幅值最大值之和一般为定值），从而使你的电机的最大转速下降（电压极限圆），甚至达不到额定转速。这个要注意。所以一般的话注入的高频信号的电压幅值在电机额定电压的10%左右，可以适当增大，最大我觉得15%左右吧，这个可以自己调试。
另外，楼主你现在电机的PWM的频率是多少啊，高频电压的频率要兼顾电机的额定频率和PWM的频率。 你选的500HZ太接近系统的额定频率了。用滤波器法的话确实要提高滤波器的阶数，算法的复杂度会增大不少啊。你除了用滤波器分离，还可以尝试用傅里叶变换提取高频信号或者用小波信号分析，效果应该比滤波器好。当然，你可以先给定一个较小的速度，看看，你现在的算法打底对不对了。
祝你好运。

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-27 05:13
不好意思啊，我一直没有注意到你的回复。你这样做的话，结果肯定不理想的了。注入的电压过高会导致：1. 产 ...

谢谢您的回复，高频注入法暂时放弃了，等过段时间搞个内埋式的电机在试高频注入发，因为像您说的，这个从理论实现起来就很难。
1、我的载波是2~8k可调
2、如果增加滤波器阶数，那么运算时间就会加大很多，而且有一个问题我还没说，之前6阶的滤波器都是我经过简化（虽然滤波器简化了，但是依然能确保滤波器的特性没问题，使用信号发生器直接给AD采样端口加了一个频率幅度都可调的信号测试的）以后才能达到要求的，因为是做产品，所以还有许多其他功能占用了大量的内存。
现在改成反电势法检测了，因为我的应用场合是频率达到一定转速以后才加载的，所以低频段可以暂时不考虑。
现在在使用滑膜，模型打出来了，依然还是有点问题，不知道您对滑膜了解吗？

winsonhua0614

面贴式的永磁电机使用高频注射实现闭环控制确实比较难（因为凸极率<10%），采用内埋式的电机会好很多，到时再试试。因为您的载波可调，您需要恰当选择载波频率，以提高信噪比，毕竟使用滤波器提取高频响应电流只能抑制基波电流，不能消除，后期对位置信号的提取会有影响（特别是大负载的情况）。个人愚见，仅供参考。
基于反电动势的滑模控制，硬件实现还是比较容易的。不知道楼主遇到什么问题了？

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-28 15:18
面贴式的永磁电机使用高频注射实现闭环控制确实比较难（因为凸极率

遇到了好多问题{:soso_e109:}
1、我的电机虽然是面贴式的，但是凸极率还是有的，我通过参数辨识读取的D轴、Q轴电感是2.42mH和2.12mH，用另外一个样机（其他家已经开始批量使用的成熟产品读出来的是D轴：2.35、Q轴：1.95），然后滑膜观测器要使用alph和beta轴的电感，如果通过极坐标和静止坐标的那个电感矩阵的话，就要用到那个（2*theta）的三角函数，我也在其他地方了解说，之所以转子结构不同，DQ轴电感会有差异，是因为一个电感的二次谐波分量，面贴式理论上为0，但是因为制作工艺的问题，还是会有一点的，所以为了简化计算，我就直接把这个值给忽略了，静止坐标系的电感直接使用（Ld+Lq）/2去计算，不知道这样可以吗？个人感觉应该影响不是很大把？（另外，我读取的那个DQ轴电感，D轴电感为什么会比Q轴电感大啊？之前以为值我自己搞错了，可是我买的那台样机读出来的居然也是Ld>Lq{:soso_e149:} ）
2、先把我使用的滑模模型贴出来


然后主要问题是直接使用反正切计算出角度，连续两次角度做差得角速度，角速度加一个大的平均值（几千次的）滤波，能够得到角速度，和给定的角速度差距不大，但是这样肯定不行啊，滤波次数太多了，如果次数少的话，角速度抖动非常大，有时候都会有负值出现。搞不懂为什么，不过看了一些文档，也说使用低通滤波器会有些扰动，但是应该不会有这么大的吧？
3、因为问题二没想到办法解决，所以想试试加一个锁相环试试，在第二个低通滤波后面加了一个PLL锁相环，但是锁相环加上以后又出现了个问题，就是启动的时候，锁相环有可能出现跟不上的情况，有时候又能够正常启动。跟不上时的状态是这样的：实际角速度和估计的角速度偏差较大，delta大于0，估计角度增加，还没等跟上的时候，实际角度高出估计角度180以后，Delta又小于0了，估计角度又开始减小了，就这样开始摆动了
4、也是因为问题二一直没想到办法解决，然后有些论文建议说使用卡尔曼滤波器，然后就看到了数学模型

模型的前两个等式看动了，也很好推到，可是第三个的那个角速度的导数公式是怎么来的啊？怎么都没想通，也没推倒出来{:soso_e109:}
4、就是做滑模的时候发现，不接电机角速度居然也能识别到，不过仔细想了想滑模的方程，发现应该也没错吧，这个时候角速度就是跟着静止坐标系的电压走的吧，不知道这么理解对不对？

winsonhua0614

1. 对于面贴式永磁同步电机，DQ轴电感原则上相等，但实际不相等的原因，不是工艺上的问题，而是D轴上有永磁体的存在，永磁体产生的磁链使D轴工作在磁饱和的状态，由于铁磁材料磁化曲线的饱和非线性使D轴的电感要稍小于q轴电感。至于你测量出的交轴电感小于直轴电感，这个结果我认为有问题，方便的话，可以说明下你的测量方法，可以再探讨探讨啊。另外，你采用的平均电感 (Ld+Lq)/2来代替实际测量的Ld,Lq对于面贴式永磁同步电机是可行了。放心使用吧。
2. 从你贴的滑模可以看出，你用的应该是基于反电动势的滑模控制方法。这个图上有两个问题，1.不需要采用两个低通滤波器（不明白），一个低通滤波器足以。2. 计算角度的公式arc(tan(e_alpha/e_beta))有问题,应该是arc(tan(-e_alpha/e_beta))注意有个负号。你可以再试试。另外的话，我觉得不是精确控制的话，刚开始可以不加位置补偿，测量的位置也是行的通的。精确控制，后续再加补偿测试。
3. 至于第三个卡尔曼滤波器对测量的反电动势进行滤波。这个首先我认为，这个方法不是卡尔曼滤波器（和卡尔曼滤波器的原理相差甚远），应该说还是一个滑模控制器。给出的公式是对的。至于楼主没有推导出角速度的公式，是因为，你对滑模控制的根本原理还不清晰的，涨姿势啦{:soso_e185:}。这个转速是基于Lyapunov的能量函数推导出来的（属于现代控制理论）。建议楼主找找滑模控制方面的资料看看。网上有很多的。
4. 第四个问题没有明白是什么意思。再详细说明下吧。
如果楼主的项目需要赶时间的话，通过1和2就可以得到精确的转子位置了。3的话可以代替滤波器，消除位置补偿，如果能够实现，那么系统会较2更优越。
最后想补充下，在做这个基于反电动势的滑模控制时，2中系数Kslide必须大于等于反电动势的最大值，3中的系数K1必须大于等于测量的转子电转速度的最大值。从而保证整个系统是稳定的。
希望对你有帮助，祝你实验成功。。。{:soso_e113:}

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-29 03:14
1. 对于面贴式永磁同步电机，DQ轴电感原则上相等，但实际不相等的原因，不是工艺上的问题，而是D轴上有永磁 ...

1、电感的测量方法是这样的：
在三相两两之间分别注入一个直流电压，然后检测电流，软件计算di/dt，通过Udc=r*i+L*pi，就能计算出两两之间的电感。然后根据清华出的《交流电机及其系统的分析》一书，上面有一段是这么介绍的

然后我认为上面算出的三个电感L：L=Lxx+Lyy+2*Lxy。然后根据《电机的DSP控制技术及应用》一书中介绍的：



忽略式中的全部漏感，就能计算出L0和L2，根据上面三个式子转换变形，就能算出L0和L2还有theta，就能够得到Ld和Lq了

这样做应该没有问题吧？{:soso_e149:}
我最开始也觉得是我算错了，主要是我用我买的那个成品机读出来的也是Ld>Lq,所以一下子就晕了{:soso_e109:}

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-29 03:14
1. 对于面贴式永磁同步电机，DQ轴电感原则上相等，但实际不相等的原因，不是工艺上的问题，而是D轴上有永磁 ...

2、
a、使用两个低通滤波器是因为看到有论文中这样写的

然后还看了MicroChip公司出的《PMSM 的无传感器磁场定向控制》文档，文档号AN1078，他里面的反电势滤波模型

所以最后我也选择了使用两个低通滤波。
b、计算角度的那个公式的为题之前已经发现问题了，贴图的时候忘了说明了，不好意思，现在使用的就是arctan（-ealph/ebeta）
c、您说的位置补偿是说的由于使用滤波导致角度滞后，解决这个问题增加的那个补偿量吗？如果补偿量不加的话不会导致实际角度和估计角度偏差过大吗？
现在遇到的就是速度抖动过大，角度的抖动也过大，没办法闭环上去，之前有试过，一闭环以后电机像跳舞似的

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-29 03:14
1. 对于面贴式永磁同步电机，DQ轴电感原则上相等，但实际不相等的原因，不是工艺上的问题，而是D轴上有永磁 ...

3、之前看了好几片论文都说这个是卡尔曼滤波{:soso_e109:}



主要是个人确实对卡尔曼滤波、滑膜变结构这一块了解的不多，上学的时候都没接触过，顺便说一句，我是本科毕业的{:soso_e109:} ，现在了解的也都是断断续续从网上得到的资料
如果这个方法是滑膜的话，那是不是说这个模型输出的反电势也是类似与开关量的那种脉冲信号啊？

xufeng_0218

winsonhua0614 发表于 2015-5-29 03:14
1. 对于面贴式永磁同步电机，DQ轴电感原则上相等，但实际不相等的原因，不是工艺上的问题，而是D轴上有永磁 ...

4、第四个问题是这样的，就我我用仿真器带CPU板做程序的时候，发现控制板运行起来后，角速度也能够检测到，但是这个时候因为没接驱动和电机，所以检测的实际电流值都是0。
然后我考虑滑膜的那个离散数学模型：

虽然电流为0，但是这个时候电压还是有的，而且电压应该是最大值，所以Vs（n）中是包含转速信息的，所以能够得到包含转速信息的es（n）

另外，我现在滑膜的Kslide值，使用的是给定转速下反电势最大值的2倍。低通滤波的截止频率选择的是给定频率的1.5倍

winsonhua0614

xufeng_0218 发表于 2015-5-29 09:09
1、电感的测量方法是这样的：
在三相两两之间分别注入一个直流电压，然后检测电流，软件计算di/dt，通 ...

1.第一个测量DQ轴电感，方法从理论上讲是可行的{:soso_e179:}，只是没有考虑磁饱和对测量的影响。你是通过计算L0，L2和theta角然后算出Ld和Lq的。你计算出来的结果是Ld>Lq的原因，是因为你假定的L2是大于0的，然后位置角存在90度的偏差造成的。这个其实是不正确的。实际上L2其实是小于0的（可以从物理学角度分析电机a轴上的自感，你会发现当位置角theta=0时，这时的a轴自感其实是最小值）。所以你计算的结果正好是反的，实际结果应该是Lq取大的值，Ld取小的值。
当然，对于求面贴式永磁同步电机的平均电感，你根本不需要求L2，直接求L0就可以了。为了削弱磁饱和对测量的影响，你可以两相之间测量时，加一个正向电压求一次电感，再加一次反向电压再求一次电感，然后将这两个电感取平均带到你原来式子里面求L0，L2和theta角（theta角仍然会存在180度角的偏差）。或者不求L2，这样的话，你直接测量六次电感值，将这六个电感值相加后除以12就可以得到平均电感了。

winsonhua0614

xufeng_0218 发表于 2015-5-29 09:33
2、
a、使用两个低通滤波器是因为看到有论文中这样写的

第二个问题，（a）第一个我理解错了，我以为两个LPF都是用来滤波的。不好意思，两个LPF是对的，只不过第一个LPF是由电机自身模型搭建的，第二个LPF使波形更加平缓的。
                   （c）你加补偿是对的，不加补偿的话会存在LPF导致的相位滞后的，转速越快，相位滞后越大嘛。（我的意思就是不加补偿的话，速度不大的话，相位滞后很小的，前期可以用来测试的）

winsonhua0614

xufeng_0218 发表于 2015-5-29 09:51
3、之前看了好几片论文都说这个是卡尔曼滤波

第三个至于这个名称卡尔曼滤波器，我知道卡尔曼滤波器的原理是利用协方差最小的原理来实现的，会用到卡尔曼增益，协方差矩阵迭代什么的。而你给出的式子本质上就是用滑模来实现的，k1也其实定义的是一个滑模系数。不过这个不重要啦{:soso_e113:} 。重要的是这个方法确实可以避免滤波器的使用，从而避免滤波器带来的相位滞后。
至于你说的这个模型输出的反电动势应该也是开关信号，其实是正弦波信号，这个你可以类比下第二个的估算的电流信号，不同的是第二个实际的电流信号是正弦波，而第三个给定的反电动势是开关信号，不过由于内部的积分环节，输出变的平缓了，因此将原来输入的电动势开关信号转化为了正弦波信号。

winsonhua0614

xufeng_0218 发表于 2015-5-29 10:01
4、第四个问题是这样的，就我我用仿真器带CPU板做程序的时候，发现控制板运行起来后，角速度也能够检测到 ...

最后一个问题，还是没弄明白，我不知道你的角速度是用什么方法测得的，你是自己编程序获得的？

winsonhua0614

Kslide取值应该是okay的，滤波器的截止频率是给定频率的1.5倍，意思是你的给定频率变化，你的滤波器的截止频率也在变化吗？滤波器的截止频率你可以直接取最大给定的电气角频率的1.5倍左右。这个值实验中应该多测试。因为如果这个截止频率取的小了，那么你就一定要加前面说的转子位置补偿了，如果这个截止频率取大了，那么滤波后的反电动势会有高频分量，会影响转子位置的估算结果。