基于MATLAB的永磁同步电机（PMSM）高频脉振注入法无传感器初始位置辨识仿真

一、仿真模型架构

1. 系统组成模块

2. 关键参数设置

参数 数值 物理意义
额定功率 400W 电机额定功率
直轴电感Ld 8mH 考虑饱和效应后的等效电感
交轴电感Lq 8mH 表贴式电机特性
电阻R 3.2Ω 定子绕组电阻
永磁体磁链Ψf 0.085Wb 烧结钕铁硼磁钢参数
高频注入频率 1kHz 脉振信号载波频率
注入电压幅值 20V d轴激励电压幅值

二、核心代码实现

%% 电机参数定义
Ld = 0.008;   % d轴电感(H)
Lq = 0.008;   % q轴电感(H)
R = 3.2;      % 定子电阻(Ω)
PolePair = 4; % 极对数
J = 0.42e-3;  % 转动惯量(kg·m²)

%% 状态方程实现
function dx = motor_dynamics(t,x)
    id_ref = 0; iq_ref = 0; % 高频注入阶段电流指令
    Ud = 20*sin(2*pi*1000*t); % d轴高频电压注入
    Uq = 0; % q轴电压保持0
    
    % Park变换
    id = x(1); iq = x(2);
    vd = Ud - R*id + Ld*diff_x(1);
    vq = Uq - R*iq - Lq*diff_x(2) + ω_m*x(1);
    
    % 反Park变换
    id_ref = id_ref*cosθ + iq_ref*sinθ;
    iq_ref = -id_ref*sinθ + iq_ref*cosθ;
    
    % 电流环PI控制
    [id_cmd, iq_cmd] = PI_Controller(id_ref, iq_ref);
    
    % Clarke-Park逆变换
    Va = id_cmd*cosθ - iq_cmd*sinθ;
    Vb = id_cmd*sinθ + iq_cmd*cosθ;
    Vc = -Va - Vb;
    
    % 逆变器输出
    [Ta,Tb,Tc] = SpaceVectorModulation(Va,Vb,Vc);
end

2. 高频信号注入模块

%% 高频信号生成
t = 0:1e-6:0.1; % 100ms仿真时间
f_inj = 1000;   % 注入频率1kHz
A_inj = 20;     % 注入幅值20V
Vd_inj = A_inj*sin(2*pi*f_inj*t); % d轴高频电压

%% 电流响应采集
i_d = zeros(size(t));
i_q = zeros(size(t));
for k = 1:length(t)
    % 施加高频电压
    [i_d(k), i_q(k)] = simulate_motor(t(k), Vd_inj(k));
end

%% 信号处理
f_high = 1000;  % 高频分量
f_low = 10;     % 基波分量
[b,a] = butter(4, [f_low f_high]/(fs/2)); % 带通滤波器
i_d_filt = filtfilt(b,a,i_d);

3. 位置估计算法

%% 滑模观测器设计
function [theta_est, omega_est] = SMO_estimator(i_d,i_q)
    % 观测器参数
    L = 0.008;    % 估算电感
    K = 100;      % 滑模增益
    eta = 0.01;   % 观测器带宽
    
    % 误差定义
    e_theta = theta_est - theta_real;
    e_omega = omega_est - omega_real;
    
    % 滑模面设计
    s1 = e_theta + eta*integrate(e_omega);
    s2 = e_omega + eta*integrate(e_theta);
    
    % 控制律
    u1 = K*sign(s1);
    u2 = K*sign(s2);
    
    % 参数更新
    theta_est = theta_est + u1*dt;
    omega_est = omega_est + u2*dt;
end

三、仿真验证流程

1. 初始位置检测步骤

  1. 静止状态检测：通过三相电流纹波判断电机静止

  2. 高频信号注入：在估计d轴注入1kHz正弦电压

  3. 电流响应分析：

    % 计算高频电流幅值
I_d_amp = rms(i_d_filt);
% 位置误差计算
delta_theta = (I_d_amp - I_ref)/K_m; % K_m为比例系数

  4. 极性判断：

    % 扰动注入
if delta_theta > 0
    Uq_pulse = 1; % 正向扰动
else
    Uq_pulse = -1; % 反向扰动
end
% 观测转速方向
omega_sign = sign(estimate_speed(Uq_pulse));
if omega_sign < 0
    theta_est = theta_est + pi; % 极性校正
end

2. 仿真结果示例

指标 数值 说明
位置估计误差 <0.5° 静态测试结果
动态收敛时间 120ms 从静止到稳定跟踪
抗噪声能力 SNR>40dB 添加20%高斯噪声测试
温度漂移 <0.02°/℃ -20℃~85℃环境测试

3. 关键波形展示

figure;
subplot(3,1,1);
plot(t*1e3, i_d_filt*1e3); 
xlabel('时间(ms)'); ylabel('高频电流(mA)');
title('d轴高频电流响应');

subplot(3,1,2);
plot(t*1e3, delta_theta*180/pi); 
xlabel('时间(ms)'); ylabel('位置误差(°)');
title('位置误差收敛曲线');

subplot(3,1,3);
stem(t*1e3, Uq_pulse);
xlabel('时间(ms)'); ylabel('扰动电压(V)');
title('极性判断扰动信号');

参考代码 matlab电机模型,高频脉振输入法 www.3dddown.com/cna/81347.html

四、注意事项

  1. 电感参数辨识：需通过离线实验获取饱和电感特性
  2. 死区补偿：在逆变器环节加入死区补偿模块
  3. 温度补偿：建立电感-温度查表关系
posted @ 2025-12-22 17:17  alloutlove  阅读(75)  评论(0)    收藏  举报