永磁同步电机无位置传感器控制的新方法，可有效解决电机噪声问题

对于永磁同步电机（PMSM）而言，高频信号注入法是一种有效的零低速无位置传感器控制方法。然而，注入的高频信号会带来严重的可听噪声问题，无法满足舰船推进等高端领域的应用要求。为此，江苏大学电气信息工程学院的孙明阳、和阳、邱先群、陶涛、赵文祥，在2023年第6期《电工技术学报》上撰文，提出随机频率三角波电压注入无位置传感器控制方法，解决了永磁同步电机的噪声问题。

多相永磁电机具有高功率密度、高转矩密度、高母线电压利用率等优点，被广泛应用于舰船推进等高端领域。相较于传统的正六相电机，相移30 °的双三相永磁同步电机（DTP-PMSM）在绕组因数、转矩性能等方面具有更大的优势，受到了越来越多的关注。

为了实现永磁同步电机高性能控制，电机的转子位置信息不可或缺。转子位置信息通常由机械安装的位置传感器获得，但会增加成本和质量，降低系统可靠性。为解决这一问题，相关学者开展了无位置传感器控制策略研究。

无位置传感器控制可分为两种，即适用于中高速的反电动势或磁链法和适用于零低速的高频信号注入法。高频信号注入法根据注入坐标系不同，可分为两相静止坐标系下的旋转注入法和旋转坐标系下的脉振注入法。

此外，根据注入信号不同，又可分为正弦波注入法和方波注入法。虽然高频信号注入法能实现零低速下的位置估计，但是会产生高频噪声，限制了该方法在低噪声领域的应用。为了解决这一问题，相关学者开展了大量的研究工作。目前，降低高频噪声的方法可分为三类：减小注入信号幅值、调整注入信号的频率和随机注入。

减小注入信号幅值是降低信号注入产生的高频噪声最简单直接的方法。有学者提出了一种分析模型法来选择注入高频电压的幅值，以最大可接受的位置误差来降低注入电压幅值。然而，降低注入高频电压的幅值，会使得高频响应电流信号的信噪比也随之降低，导致估计的位置角不准确。有学者借助现场可编程门阵列（FPGA）和Delt/Sigma采样技术实现了低注入幅值下的位置角提取，但这种方法对硬件条件要求较高。

人耳听觉范围为20 Hz～20 kHz，调整注入信号的频率也可以降低噪声的影响。有学者将注入信号频率提高到PWM开关频率，但高频损耗会大大增加。有学者提出了一种低频电流注入法，但该方法需要设计额外的控制器，结构相对复杂。有学者将注入频率降低到50 Hz，实现了降低噪声的效果。但是，低频响应电流和基频电流不容易分离，系统动态性能也较差。

随机注入的思想来源于随机脉宽调制，主要思路是通过随机化频率降低高频噪声。有学者提出了一种方波频率不变、相位随机化的注入方法。有学者提出了一种方波频率随开关频率同时随机变化的降噪方法。有学者提出了一种双随机注入方法，频率与相位同时随机变化，进一步降低了高频噪声。有学者提出了随机频率正弦波注入法以降低高频噪声。但是，正弦波和方波在注入频率处的最大噪声相对较大，难以满足要求。

针对高频注入法无位置传感器控制的高频噪声相关问题，江苏大学电气信息工程学院的研究人员发表研究成果，提出了一种基于随机频率高频三角波电压注入的无位置传感器控制方法。

图1 实验平台

该方法将三角波形式的高频电压信号注入到估计的转子参考系中，降低注入频率处的最大噪声。此外，为了解决固定频率注入带来的噪声问题，采用随机频率三角波注入法，拓宽了相电流的功率谱密度（PSD），降低了离散谱峰值，使得高频噪声降低。从感应的高频电流中解调出转速和位置角信息，实现低速下的无位置传感器控制。

实验结果表明，高频三角波电压注入法降低了注入频率处的最大噪声，且通过随机化注入电压的频率，降低了高频噪声。同时，随机三角波的最大噪声也低于传统随机正弦波和随机方波。

本工作成果发表在2023年第6期《电工技术学报》，论文标题为“随机频率三角波注入永磁同步电机无位置传感器降噪控制”。本课题得到国家杰出青年科学基金、镇江市重点研发计划和江苏省研究生科研与实践创新计划的支持。

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