基于高频信号注入的三相永磁同步电机无传感器控制仿真之旅

基于高频信号注入的三相永磁同步电机无传感器控制仿真；旋转电压输入的，PMSM；Matlab仿真

在电机控制领域，三相永磁同步电机（PMSM）因其高效、节能等优点被广泛应用。然而，传统的PMSM控制往往依赖传感器来获取电机的位置和速度信息，这不仅增加了系统成本和复杂性，还降低了系统可靠性。无传感器控制技术便应运而生，其中基于高频信号注入的方法备受关注，今天咱们就来聊聊在Matlab里对这种控制方式的仿真实现。

旋转电压注入原理

基于高频旋转电压注入的无传感器控制策略，是通过向电机注入高频旋转电压信号，利用电机凸极效应产生的高频电流响应来估算转子位置和速度。简单理解就是，电机转子的位置不同，对注入的高频信号响应就不同，我们就可以通过分析这些响应来“猜”转子在哪。

Matlab仿真搭建

在Matlab中，我们主要会用到Simulink来搭建仿真模型。首先，需要创建一个新的Simulink模型文件（.slx）。

PMSM模型

参数设置

在Simulink库中找到“Permanent Magnet Synchronous Machine”模块，双击打开参数设置窗口。这里我们需要设置电机的关键参数，比如定子电阻Rs、定子电感Ls、永磁体磁链lambda等。假设我们有一台PMSM参数如下：

Rs = 0.8; % 定子电阻 Ls = 0.015; % 定子电感 lambda = 0.175; % 永磁体磁链

这些参数是根据实际电机规格来确定的，不同电机参数不同哦。

连接方式

将电机模块的三相电压输入端口连接到后续的电压输出模块，电流输出端口连接到电流检测模块，方便后续获取电机的电流信息。

高频信号注入模块

信号生成

我们可以使用“Signal Generator”模块来生成高频旋转电压信号。设置其输出类型为正弦波，频率设置为高频，比如fhf = 1000; % 高频信号频率1kHz，幅值根据实际情况调整，假设为Vhf = 10; % 高频信号幅值10V。

f_hf = 1000; V_hf = 10;

旋转坐标变换

生成的高频正弦波信号需要经过旋转坐标变换，使其成为在同步旋转坐标系下的高频旋转电压信号。这里我们可以自己搭建坐标变换模块，或者使用Simulink库中的现成模块。以dq0 Transformation模块为例，将生成的高频信号进行适当变换后注入到电机的d轴和q轴。

位置与速度估算模块

高频电流检测

通过电流检测模块获取电机的高频电流响应。这个模块会实时监测电机三相电流，输出包含高频成分的电流信号。

信号处理

获取到的高频电流信号需要经过一系列信号处理步骤，比如带通滤波，滤除低频的基波成分，只保留高频信号。可以使用“Band - Pass Filter”模块来实现，设置合适的截止频率，让高频信号顺利通过。

位置估算算法

这里就涉及到核心的位置估算算法了，比如基于高频信号的滑膜观测器算法。以滑膜观测器为例，其基本原理是通过构造一个滑膜面，使系统状态在滑膜面上滑动，从而估算出转子位置。代码实现可能如下（简化示意）：

% 假设获取到的高频电流信号为i_hf_d, i_hf_q % 滑膜面函数 s = k1 * i_hf_d + k2 * i_hf_q; % k1, k2为滑膜系数，根据实际调整 % 符号函数 if s > 0 sign_s = 1; elseif s < 0 sign_s = -1; else sign_s = 0; end % 位置估算更新 theta_est = theta_est + k3 * sign_s; % k3为更新系数，theta_est为估算的转子位置

通过这样的算法，我们就可以不断更新估算的转子位置，进而得到转子速度。