无感FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制）中的高频注入法（High-Frequency Injection, HFI）是一种用于无位置传感器（Sensorless）控制的技术，特别适用于低速或零速工况（此时反电动势难以检测）。其核心原理是通过向电机注入高频信号，利用电机的磁饱和效应或空间凸极性（如IPMSM的内置磁钢凸极特性）来提取转子位置信息。以下是高频注入法的详细原理和实现步骤：

1. 基本原理

高频注入法依赖于电机的凸极性（即d轴和q轴电感差异，Ld≠Lq）。当高频信号注入电机时，由于磁路饱和程度不同，电机的响应会包含转子位置信息。通过解调这些响应信号，可以提取出转子的位置和速度。

关键点：

• 适用电机类型：内置式永磁同步电机（IPMSM）或具有凸极性的同步磁阻电机（SynRM），因为它们的Ld≠Lq。

• 高频信号形式：通常采用正弦波（旋转高频电压）或脉振高频电压（幅值调制信号）。

• 频率选择：注入频率远高于基波频率（通常为500Hz~2kHz），以避免干扰正常控制。

2. 高频注入方法分类

(1) 旋转高频电压注入

• 注入方式：在静止坐标系（α-β轴）注入高频旋转电压信号：

• 

  其中，Vh为注入幅值，ωh为高频角频率（2πfh）。

• 响应电流：由于凸极性，高频电流响应会包含转子位置信息：

  

  其中，θr​为转子位置，2θr项即位置相关信息。

• 位置解调：通过带通滤波（BPF）提取高频电流，再经同步解调（如锁相环PLL）得到转子位置。

(2) 脉振高频电压注入

• 注入方式：在估计的d轴（d^轴）注入脉振高频电压：

  

• 响应电流：在估计的q轴（q^轴）会检测到包含位置误差（θ~=θr−θ^r）的电流：

  

• 误差提取：通过解调iq^中的sin⁡(2θ~)项，利用PLL或观测器闭环修正位置估计。

3. 信号处理流程

1. 高频信号注入：在控制电压上叠加高频分量（需避免影响基波控制）。

2. 电流采样与滤波：

   • 通过带通滤波器（BPF）提取高频响应电流。

   • 抑制基波和噪声干扰。

3. 位置信息解调：

   • 对高频电流进行同步解调（与注入信号相乘后低通滤波）。

   • 提取包含转子位置的误差信号（如sin⁡(2θ~)）。

4. 位置观测器：

   • 使用PLL或状态观测器（如Luenberger）跟踪转子位置。

   • 输出估计的θ^r​和ω^r。

4. 优缺点

优点：

• 适用于零速和低速工况（传统反电动势法失效）。

• 对电机参数变化鲁棒性较强（依赖电感差异而非电阻或磁链）。

缺点：

• 需要电机具有凸极性（表面式永磁电机SPMSM不适用）。

• 高频信号可能引入额外噪声和振动。

• 计算复杂度较高，需实时信号处理。

5. 实际应用注意事项

• 注入幅值选择：过大会引起振动和损耗，过小则信噪比不足。

• 交叉耦合补偿：高频信号可能受基波控制影响，需解耦处理。

• 与反电动势法切换：高速时切换至反电动势法（如滑模观测器）。