13HFI 高频注入低速无感

凸极比解调 + 零速启动的压缩机标配方案

学完应能回答

• 能解释 IPM 凸极性 (Lq > Ld) 的物理来源（永磁体磁阻大）以及为什么这是 HFI 的物理前提
• 能描述"注入 → 凸极响应 → 同相解调 → LPF → PLL 锁 sin(2Δθ)"全链路 + 公式
• 理解为什么表贴式 PMSM (Ld ≈ Lq) 用 HFI 完全无效（凸极信号增益 (r-1)/(r+1) → 0）
• 掌握注入频率选 800-1500 Hz 的三个约束（人耳、PWM 余量、铁损）+ PWM 必须 ≥ 4 × 注入
• 知道 HFI 的 180° 极性歧义来源（sin(2Δθ) 周期 π）和上电 d 轴对齐的解决办法
• 能写 STM32 上 HFI 解调骨架：CORDIC 算载波 + CMSIS-DSP biquad LPF + PLL PI
• 能识别"凸极崩塌 / 注入频率落入 PWM 谐波带 / PLL Kp 过大 / 跳过对齐"四类典型故障现象

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零基础速入

为什么要学

• 压缩机要求"零启动"——上电就能直接闭环 FOC，不能像 V/f 那样先盲推。
• BEMF 观测器在 < 500 rpm 时基本失效；HFI 是这一段唯一可行方案。
• 只对 IPM 凸极电机有效；表贴式 PMSM 的 Ld ≈ Lq，HFI 失效。所以选压缩机电机时凸极比是硬指标。

学习目标

• 理解高频注入的物理直觉与凸极信号机制
• 掌握注入 → 响应 → 解调 → PLL 流水线
• 知道 HFI 的边界：必须 IPM、低速段、有可听噪声

核心概念

• IPM 电机 Ld < Lq 形成磁阻不对称，注入的高频电流响应在 dq 系不一样。
• 解调 = 测量信号 × 同相载波 → 直流分量包含 sin(2·Δθ) 误差信息。
• PLL 用这个误差锁相到 Δθ = 0，得到平滑角度估算。

公式

工程意义

• HFI 是压缩机零启动的硬性要求。卖家手册里"凸极比"参数就是为它准备的。
• 注入频率折中可听噪声（>1kHz 避开 200-1000Hz 敏感段）和 PWM 余量。
• 高频注入会增加铁损和电流谐波，所以高速时必须切 BEMF。

STM32 移植指南

• 注入的高频信号叠加在电流环 PI 输出之后、反 Park 之前。
• 解调用 IIR 低通（截止 ~200Hz），CMSIS-DSP 内置滤波器能直接用。
• HFI ↔ BEMF 切换用滞回比较器避免抖动。

常见误区

调试方法

• 临时装编码器对比 HFI 估算角度。
• 看解调输出 demod_lp，正常应是平滑直流；有强 2ω_h 纹波 → 解调 LPF 不够低。
• 高速运行时观察 HFI 切到 BEMF 的瞬态——切换瞬间不能有 > 10° 角度跳变。

建议实验

• 凸极比 2.5 → 1.05，看 HFI 失效。
• 注入频率 800Hz → 200Hz（太低，被 PWM 谐波污染）→ 1500Hz。
• 加噪声看 PLL 锁相速度变化。

STM32 C 代码骨架

/* hfi.c — 压缩机低速无感 HFI 控制 */
typedef struct {
    float v_inject;       // 注入电压幅值 V
    float f_inject;       // 注入频率 Hz
    float omega_inject;   // = 2π × f_inject
    float carrier_phase;  // 载波相位累加
    float demod_lp;       // 解调低通输出
    float lpf_alpha;
    /* PLL */
    float pll_kp, pll_ki, pll_int, theta_est, omega_est;
} hfi_ctx_t;

void hfi_init(hfi_ctx_t *h, float v, float f_hz, float pwm_freq) {
    h->v_inject = v;
    h->f_inject = f_hz;
    h->omega_inject = 2.0f * M_PI * f_hz;
    h->lpf_alpha = (2.0f * M_PI * 200.0f / pwm_freq);  // 200Hz LPF
    /* ... */
}

/* 在 FOC 中断里：注入信号 + 解调 + PLL */
void hfi_step(hfi_ctx_t *h, float i_q_meas, float dt,
              float *out_v_d_inject, float *out_theta_est)
{
    /* 1. 累加载波相位 */
    h->carrier_phase += h->omega_inject * dt;
    if (h->carrier_phase > 2.0f * M_PI) h->carrier_phase -= 2.0f * M_PI;
    float carrier = sinf(h->carrier_phase);

    /* 2. 注入电压（叠加到电流环 V_d 输出之后） */
    *out_v_d_inject = h->v_inject * carrier;

    /* 3. 解调：用 i_q_meas 中的高频分量乘载波 → 包含 sin(2Δθ) */
    float product = i_q_meas * carrier;
    h->demod_lp += h->lpf_alpha * (product - h->demod_lp);

    /* 4. PLL 锁相到 sin(2Δθ) = 0 */
    float err = -h->demod_lp;
    h->pll_int += h->pll_ki * err * dt;
    h->omega_est = h->pll_kp * err + h->pll_int;
    h->theta_est += h->omega_est * dt;
    if (h->theta_est > M_PI) h->theta_est -= 2.0f * M_PI;
    if (h->theta_est < -M_PI) h->theta_est += 2.0f * M_PI;

    *out_theta_est = h->theta_est;
}

下一步

• 进入启动状态机模块（14），看 HFI 在整个启动流程里如何与 V/f / BEMF 协作。

随堂题

相关公式索引