4. 高频信号注入法基础
在PMSM无位置传感器控制中，当电机处于零速或极低速运行时，反电动势幅值趋近于零，基于反电动势观测的方法会失效。高频信号注入法通过在定子端注入特定频率的电压或电流信号，利用电机凸极效应产生的响应电流来提取转子位置信息，成为零低速段最主流的无位置传感器方案。本节围绕旋转高频注入与脉振高频注入两条技术路线，梳理其原理、适用条件与实现框架。
一、核心原理：凸极效应与高频响应
高频注入法的物理基础是电机的空间凸极。对于内置式永磁同步电机（IPMSM），交轴电感 Lq 与直轴电感 Ld 存在明显差异，凸极率 Lq/Ld 通常为1.5～3.0。当注入频率远高于基波频率时，定子电阻压降可忽略，电机在高频下近似表现为纯感性负载，其高频阻抗随转子位置呈周期性变化。
在 dq 坐标系下，高频电压与高频电流的关系可简化为：
u_dh ≈ jω_h · Ld · i_dh
u_qh ≈ jω_h · Lq · i_qh其中 ω_h 为注入角频率。由于 Ld ≠ Lq，高频电流响应中必然携带转子位置信息。旋转高频注入在静止坐标系注入旋转电压矢量，脉振高频注入则在估计的 d 轴方向注入脉振电压。两者提取位置误差信号的路径不同，但本质都是利用凸极引起的调制效应。
二、旋转高频注入的实现框架
旋转高频注入在静止坐标系 αβ 中注入一个旋转电压矢量，典型注入频率为 500 Hz～2 kHz，注入幅值为额定电压的 5%～15%。由于 Ld ≠ Lq，高频电流响应中除正序分量外，还会产生一个与转子位置相关的负序分量。负序电流的相位包含转子位置信息，通过同步解调（外差法）与低通滤波即可提取位置误差信号。
实现框架通常包含以下环节：
- 注入信号生成：由控制器产生
u_αh = Vh·cos(ωh·t)、u_βh = Vh·sin(ωh·t)，叠加到基波电压指令上。 - 电流采样与带通滤波：从相电流中分离出注入频率附近的电流分量，滤除基波与PWM开关噪声。
- 同步解调：将高频电流与注入信号的正余弦参考相乘，得到含位置误差的直流分量与高频分量。
- 低通滤波与位置观测：滤除高频分量后，通过PLL或龙伯格观测器得到估计转速与位置角。
三、脉振高频注入的实现框架
脉振高频注入在估计的 d 轴方向注入高频电压，q 轴注入量为零。当估计位置与实际位置存在偏差 Δθ 时，q 轴高频电流幅值近似正比于 sin(2Δθ)。在 Δθ 较小时，该信号可线性化为 2Δθ，作为位置误差信号送入PI调节器，驱动估计角收敛到真实值。
脉振高频注入的显著优势在于：
- 无需旋转电压矢量，注入信号与估计坐标系绑定，实现结构更简洁；
- 高频电流集中在估计
d轴附近，对逆变器非线性死区效应的敏感度低于旋转注入； - 滤波环节相对简单，通常只需带通滤波与低通滤波配合；
- 对凸极率要求相对宽松，在凸极率较低的电机上仍可获得可用信号。
其代价是：位置误差信号幅值受估计角偏差影响，在初始位置未知时需要额外的极性辨识或预定位策略，否则可能收敛到错误的稳定点。
四、两种方法的对比与选型
| 对比维度 | 旋转高频注入 | 脉振高频注入 |
|---|---|---|
| 注入坐标系 | 静止 αβ 轴 | 估计 dq 轴 |
| 注入信号形式 | 旋转电压矢量 | d 轴脉振电压 |
| 位置信息载体 | 负序电流相位 | q 轴高频电流幅值 |
| 凸极率要求 | 较高（IPMSM） | 中等即可 |
| 滤波复杂度 | 较高，需带通+同步解调 | 较低，带通+低通即可 |
| 死区敏感度 | 较敏感 | 相对不敏感 |
| 初始位置辨识 | 可直接获得绝对位置 | 需额外极性判断 |
| 典型应用 | IPMSM 零低速运行 | IPMSM/SPMSM 零低速运行 |
五、工程实现中的常见误区与复盘
复盘来看，高频注入法的工程落地需要同时关注三个层面：电机本体凸极特性、逆变器非线性补偿、以及观测器与滤波器的参数整定。旋转高频注入与脉振高频注入并非互斥，实际项目中可根据电机类型、运行工况与成本约束灵活选择，甚至在低速段采用脉振注入、高速段切换至反电动势观测的混合策略。
典型参数参考（IPMSM，额定 2.2 kW）：
注入频率 fh = 1 kHz
注入幅值 Vh = 40 V（约额定电压 10%）
带通滤波中心频率 = 1 kHz，带宽 200 Hz
低通滤波截止频率 = 200 Hz
PLL 比例增益 Kp = 20
PLL 积分增益 Ki = 2000