MATLAB永磁同步电机模型实现高频脉振注入法进行无速度传感器的初始位置角辨识

在MATLAB中搭建永磁同步电机模型，并利用高频脉振注入法进行无速度传感器的初始位置角辨识，是一项涉及电机控制、信号处理和仿真的综合任务。

高频脉振注入法基本原理

高频脉振注入法，主要利用电机磁路的饱和特性来实现转子初始位置的辨识。通过在估计的转子同步坐标系中注入高频电压信号，并检测响应的电流信号，可以提取出转子位置信息。

注入信号与响应处理：

• 注入信号：在估计的转子直轴（d轴）注入高频正弦电压信号：\(v_{dh} = V_{inj} \cos(\omega_{inj} t), v_{qh} = 0\)。其中 (\(V_{inj}\)) 是注入电压幅值，(\(\omega_{inj}\)) 是注入信号角频率。
• 电流响应：注入的高频电压会产生包含转子位置误差信息的高频电流响应。通过解调该电流信号，可估计出转子位置。

仿真模型搭建思路

在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，主要包含以下几个部分：

1. 永磁同步电机模块
   使用Simulink库中的PMSM模型，并准确设置电机参数（定子电阻、d/q轴电感、永磁体磁链等）。

2. 高频电压注入模块
   根据上述原理产生高频正弦电压信号，并注入到估计的d轴。

3. 电流响应处理与位置提取模块
   这是实现的核心，主要任务是：

   • 对含有高频分量的电机相电流进行带通滤波，提取高频电流响应。
   • 通过解调（通常与注入信号频率相同的正弦载波相乘）和低通滤波，得到包含位置误差的信号。
   • 将此误差信号输入到锁相环或观测器，估计出连续的转子位置和速度。

4. 转子初始位置辨识的实现

   • 在电机启动前，注入高频电压信号。
   • 通过处理电流响应，估算出转子的初始位置角。
   • 对于永磁体磁极极性判别，可结合脉冲电压注入法，通过施加特定的短时电压脉冲并比较电流响应来判断N/S极。

MATLAB中实现高频脉振注入法初始位置辨识的主要步骤和代码框架：

1. 定义电机参数与仿真参数：

   % 电机参数（示例，需替换为实际参数）
   Pmsm.Rs = 0.5;    % 定子电阻 (Ω)
   Pmsm.Ld = 5e-3;   % d轴电感 (H)
   Pmsm.Lq = 6e-3;   % q轴电感 (H)
   Pmsm.PsiF = 0.2;  % 永磁体磁链 (Wb)
   Pmsm.PolePair = 4; % 极对数
   
   % 高频注入信号参数
   f_inj = 1000;      % 注入信号频率 (Hz)
   V_inj = 10;        % 注入电压幅值 (V)
   T_est = 1e-4;      % 位置估计周期 (s)
   

2. 实现高频信号注入与电流响应处理：

   % 在Simulink中，通过FOC控制结构，在估计的d轴注入高频电压信号
   % 假设你已经有了从电机模型反馈回来的相电流 ia, ib, ic
   
   % 将相电流变换到估计的转子同步坐标系 dq
   I_alpha = (2/3) * (ia - 0.5*ib - 0.5*ic);
   I_beta  = (2/3) * (sqrt(3)/2*ib - sqrt(3)/2*ic);
   
   % 使用当前估计的位置角 theta_est 进行坐标变换
   I_d_est = I_alpha .* cos(theta_est) + I_beta .* sin(theta_est);
   I_q_est = -I_alpha .* sin(theta_est) + I_beta .* cos(theta_est);
   
   % 对dq轴电流进行带通滤波（中心频率f_inj）提取高频电流响应
   % 设计带通滤波器 (示例，需调整)
   [b_bp, a_bp] = butter(2, [f_inj-100, f_inj+100]/(1/(2*T_est)), 'bandpass');
   I_dh = filter(b_bp, a_bp, I_d_est);
   I_qh = filter(b_bp, a_bp, I_q_est);
   

3. 解调处理与位置误差提取：

   % 生成解调信号 (与注入电压同频)
   t_sim = (0:length(I_dh)-1)' * T_est; % 仿真时间向量
   demod_signal = sin(2*pi*f_inj * t_sim); % 解调信号
   
   % 解调处理
   demod_d = I_dh .* demod_signal;
   demod_q = I_qh .* demod_signal;
   
   % 低通滤波提取包络/误差信号
   [b_lp, a_lp] = butter(2, f_inj/10/(1/(2*T_est)), 'low'); % 设计低通滤波器
   epsilon_d = filter(b_lp, a_lp, demod_d);
   epsilon_q = filter(b_lp, a_lp, demod_q);
   
   % 位置误差信号 (对于脉振注入法，误差信号主要与q轴高频电流有关)
   error = epsilon_q; % 简化处理，具体形式可能因算法变种而异
   

4. 使用锁相环估计转子位置与速度：

   % PLL参数
   Kp_pll = 10;   % 比例增益
   Ki_pll = 100;  % 积分增益
   
   % PLL状态变量
   persistent theta_est_pll omega_est_pll integral_pll;
   if isempty(theta_est_pll)
       theta_est_pll = 0;
       omega_est_pll = 0;
       integral_pll = 0;
   end
   
   % PLL更新 (采用PI调节器)
   % 误差信号输入PLL，驱动估计位置收敛到实际位置
   proportional = error * Kp_pll;
   integral_pll = integral_pll + error * Ki_pll * T_est;
   
   % 更新估计的速度和位置
   omega_est_pll = proportional + integral_pll;
   theta_est_pll = theta_est_pll + omega_est_pll * T_est;
   
   % 保持角度在0到2*pi之间
   theta_est_pll = mod(theta_est_pll, 2*pi);
   

   上述代码提供了在MATLAB函数模块或脚本中实现PLL的基本思路。在实际Simulink模型中，你也可以利用Discrete PID Controller和Integrator模块搭建PLL。

5. 考虑极性判断和初始位置确定：
   高频脉振注入法通常只能确定位置 within 180°电角度（即无法区分N/S极），因此需要结合脉冲注入法进行极性的判别。

   % 在初始位置辨识中，在估计的d轴方向施加一个短时电压脉冲
   % 比较电流响应的幅值（或di/dt）来判断永磁体极性
   % 如果响应电流幅值大于特定阈值，则判定当前估计的d轴方向与永磁体N极一致
   % 否则，需要将最终估计的初始位置角调整180°电角度
   

参考代码 matlab电机模型,高频脉振输入法 www.youwenfan.com/contentcno/81347.html

总结

在MATLAB/Simulink中实现基于高频脉振注入法的PMSM初始位置辨识，关键在于正确注入高频信号、精确处理电流响应以提取位置误差，并利用PLL或观测器估计出转子位置和速度。