基于幅相自适应注入的伺服电机无传感器控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30211

先进作动技术专栏

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基于幅相自适应注入的伺服电机无传感器控制

和阳¹(), 李旺旺¹, 吉敬华¹, 赵文祥¹^,², 朱纪洪³

^1.江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013
^2.南京工程学院电力工程学院，南京 211167
^3.清华大学精密仪器系，北京 100084

收稿日期:2024-01-22 修回日期:2024-02-28 接受日期:2024-05-08 出版日期:2024-08-15 发布日期:2024-05-08
通讯作者: 和阳 E-mail:heyang@ujs.edu.cn
基金资助:
国家杰出青年科学基金(52025073);国家自然科学基金重大项目(51991383);航空科学基金(202200580R3001)

Sensorless control of servo motor based on adaptive amplitude⁃phase square wave injection

Yang HE¹(), Wangwang LI¹, Jinghua JI¹, Wenxiang ZHAO¹^,², Jihong ZHU³

^1.School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China
^2.School of Electric Power Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing 211167，China
^3.Department of Precision Instrument，Tsinghua University，Beijing 100084，China

Received:2024-01-22 Revised:2024-02-28 Accepted:2024-05-08 Online:2024-08-15 Published:2024-05-08
Contact: Yang HE E-mail:heyang@ujs.edu.cn
Supported by:
National Science Fund for Distinguished Young Scholars(52025073);Major Program of National Natural Science Foundation of China(51991383);Aeronautical Science Foundation of China(202200580R3001)

摘要/Abstract

摘要：

现有的无位置传感器控制方法，受收敛速度和估计精度的制约，难以直接应用于高动态机电伺服系统。为提升伺服电机高动态下无位置传感器控制的估计精度，提出基于幅相自适应方波电压注入的永磁同步伺服电机无位置传感器控制方法。通过注入高频方波电压信号，解调交轴高频响应电流，实现高动态的转子位置估计。同时根据电机实时运行状态，自适应调节注入电压的幅值与相位，有效减少因逆变器非线性和电机交叉饱和效应引起的估计误差。最后在2 kW的伺服电机平台上对所提方法的性能进行了实验验证。实验结果表明：采用基于幅相自适应方波注入的转子位置估计方法，在实现伺服电机高动态无传感器控制的同时，有效提升了转子位置估计的精度。

关键词: 无传感器控制, 伺服系统, 永磁同步伺服电机, 自适应注入, 高动态位置估计

Abstract:

Existing sensorless control methods are constrained by the convergence rate and estimation accuracy， and is difficult to be directly applied to high dynamic electro-mechanical servo systems. To improve the estimation accuracy of sensorless control under high dynamics， this paper proposes a novel sensorless control method for the permanent magnet synchronous motor based on amplitude-phase adaptive square wave injection. By injecting high-frequency square wave voltage signals and demodulating the high-frequency response current of the q-axis， high dynamic rotor position estimation is achieved. At the same time， the amplitude and phase of the injected voltage are adaptively adjusted according to the real-time operating status of the motor. Therefore， the estimation errors caused by inverter nonlinearity and motor cross-saturation effect are effectively reduced. Finally， the performance of the method proposed is experimentally verified on a 2 kW servo motor platform. The experimental results show that the proposed method can enhance the accuracy of rotor position estimation， while achieving high dynamic characteristics of sensorless control.

Key words: sensorless control, servo system, permanent magnet synchronous motor, adaptive injection, high dynamic position estimation

中图分类号:

V242.4

和阳, 李旺旺, 吉敬华, 赵文祥, 朱纪洪. 基于幅相自适应注入的伺服电机无传感器控制[J]. 航空学报, 2024, 45(15): 630211-630211.

Yang HE, Wangwang LI, Jinghua JI, Wenxiang ZHAO, Jihong ZHU. Sensorless control of servo motor based on adaptive amplitude⁃phase square wave injection[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(15): 630211-630211.

图/表 26

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表 1

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

系统参数	数值	系统参数	数值
电机相数	3	额定转速n/（r·min^-1）	1 500
电机极对数	4	额定功率P/kW	2
定子电阻R_S/mΩ	81.5	直流母线电压U_dc/V	100
直轴电感L_d/mH	1	控制周期T_s/μs	100
交轴电感L_q/mH	1.4	开关频率f_s/kHz	10
永磁体磁链ψ_f/Wb	0.07	注入电压频率f_sw/kHz	2.5

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