低速區永磁同步電機無傳感器控制技術綜述

張少華，吳湘頻

（武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064）

0 引言

永磁同步電機因具有啟動轉矩大、功率因素高、響應速度快等優點，在要求高控制精度和高可靠性的場合獲得了廣泛應用。在這些應用場合，轉速閉環是電機獲得高精度控制的前提，但在一些場合，如1）超高速應用時；2）電機尺寸受限時；3）極惡劣環境中，溫度、濕度、強振動等不利因素影響時；電機傳感器的精度、線纜的安裝都很難保證，轉速反饋一旦出現問題，將造成災難性的后果。

因此，人們希望能找到一種替代傳統機械式傳感器測量電機參數的方法。無傳感器控制技術就是利用電機繞組中的相關易測變量，如定子電壓、定子電流、繞組磁鏈等，通過特定的算法來估算出電機轉子的位置或速度，從而實現電機高精度控制[1]。

1 PMSM無傳感器控制發展及分類

1989年L.A.Jones用觀測器法實現了永磁電機轉子位置的估算，這一成功應用被認為是無傳感器技術在PMSM控制中的首次應用[2]。目前，按速區劃分，可將永磁同步電機的無傳感器劃分為中、高速區無傳感器控制方法和低速區（包括零速）無傳感器控制方法。其中，中、高速區轉速估算方法大多依賴于電機基波模型，是通過各種算法獲取與轉速有關的各種物理量（電壓、電流、磁鏈、反電動勢等），并從這些物理量中提取出想要獲得的轉子位置或轉速信號，中、高速區估算方法主要有以下幾種：

1）基于數學模型的開環估計方法；

2）觀測器估計法，觀測器法的研究成果最為豐碩，可分為全/降階狀態觀測器、滑模觀測器、擴展卡爾曼觀測器、模型參考自適應觀測器等；

3）基于人工智能算法（神經網絡、模糊控制等）的估算方法。

但應用于中、高速區的基于電機基波模型的估算方法需要提取的物理量大多與電機轉速成正比，當電機運行于低速甚至零速時，在實際存在的各種干擾因素的作用下，很難提取出所需的物理量信息，因此，中、高速區的各種估算方法不適合應用于低速區甚至零速區。為提高永磁同步電機無傳感器技術在低速區甚至零速區的調速性能，拓寬電機的調速范圍，零速、低速的無傳感器控制技術是必須解決的問題。因而，無傳感器技術將來發展的重點是改進低速段的調速性能。

2 轉子初始位置定位方法

2.1 預定位法

該方法是指通過特殊的方法迫使電機轉子磁場和電機某一相對齊。可通過迫使電流矢量在所需方向維持一段時間來實現。該方法實現簡單，但起動時易受到負載轉矩的影響，當負載轉矩較大時，使轉子的實際位置達到預定位置變得十分困難，可能造成電機的啟動失敗。

2.2 基于等幅測試矢量勵磁和電流檢測的初始位置估計方法

這種轉子初始位置估算方法由I.Miki等人提出[2]。其原理不依賴于電機的凸極特性，而是依據定子鐵心的非線性飽和特性，所以該種方法也適用于面裝式等結構凸極不明顯的永磁同步電機。其實現方法是對電機電樞繞組施加一系列幅值想等的空間電壓矢量勵磁信號，利用測量到的電機相電流幅值對轉子的初始位置進行預估，該方法的缺點是計算過程時需進行依次迭代，計算過程較為復雜。

2.3 基于高頻脈振電壓矢量勵磁和相位檢測的IPMSM初始位置估計

這種方法由Noguchi T.提出[3]。該方法主要依據IPMSM的凸極特性和轉子鐵心的磁飽和特性來估算電機轉子的初始位置。其實現方法是在等效旋轉坐標系下對電機坐標軸注入高頻電壓信號，注入的電壓信號會產生相應的高頻電流信號，利用注入高頻電壓信號與高頻電流分量之間的相角來提取出電機轉子的位置信號，從而實現IPSM的初始位置估算，該方法不依賴于電機參數，但同樣需要較大的計算量。

2.4 INFORM法

INFOR法由Schroedl M.提出[4]，僅適用于內埋式永磁電機。其原理依據是電機的凸極特性，由于電機凸極結構的存在，電機定子繞組的電感會隨著電機轉子位置的變化而發生周期性的變化，可利用內置式永磁電機的這一凸極特性來實現電機轉子位置的估算。復“INFORM”電感定義為給定電壓空間矢量與相應電流矢量變化率的比值，具體實現方法是先向電機定子繞組施加短時間且方向不同的電壓空間矢量，然后檢測出相應的定子電流空間矢量變化率，即可以從“INFORM”復電感中提取出電機轉子磁鏈的信息。該估算方法計算簡單，不依賴于電機方程，對電機參數變化的魯棒性強，但該方法在實際實現時對電流檢測值的精度要求較高，實際物理量測量精度低時會導致電機的初始位置的檢測有較大誤差。同時該方法實現的前提是假設電機的磁場按照正弦分布，如電機磁場發生畸變時會影響定位結果。

2.5 長、短時間電壓脈沖注入法

該方法由Boussak,M.等提出[5]，主要應用于IPMSM，首先通過對IPMSM的繞組施加3個短時間電壓脈沖（約200 μs） U1、U2、U3,分別得出電機三相繞組中的Ia、Ib、Ic，通過三項繞組中電流的 Δ Ia、 ΔIb、 ΔIc將電機轉子位置劃分為24個15°電角度的區域。并通 Δ Ia、 ΔIb、 ΔIc計算出轉子角度，其計算公式如下式所示，

然后通過對電機繞組施加一個長時間（約700μs）改變電機磁場回路的磁飽和狀態來區分轉子的N極和S極，如果電機繞組的磁鏈和施加的長時間脈沖產生的磁鏈方向一致，會得到一個大約為普通電流2倍的峰值電流，從而可區分出轉子的N極和S極。至此，可實現IPMSM轉子位置的初始定位。

3 低速區轉速估計方法

3.1 高頻信號注入法

高頻信號注入法由Lorenz等提出[6]，在PMSM的低速區轉速估算中已經得到較大的發展，其主要原理依據是電機的凸極特性，其中，內置式PMSM是結構性凸極，而面裝式PMSM凸極是指當電機主磁路達到飽和時而表現出來的飽和性凸極。高頻信號注入法主要包括高頻旋轉電壓注入法、高頻旋轉電流信號注入法、高頻脈振電壓信號注入法。其基本原理是:在電機等效旋轉坐標下，向電機等效定子坐標軸注入高頻電壓信號或者高頻電流信號（選擇高頻電壓信號還是高頻電流信號主要取決于所選擇的逆變器類型，即當選擇的是電壓源型逆變器時選擇高頻電壓信號注入，選擇的是電流源型逆變器時選擇高頻電流信號），使其產生恒定幅值的旋轉磁場，或產生沿某一軸線脈動的交變磁場。轉子旋轉過程中，轉子的凸極會對氣隙磁場產生調制作用，相應的定子電流會產生與轉子位置信號相關的高頻載波分量，可從這些高頻載波分量中提取出電機轉子的位置信息。

3.1.1高頻旋轉電壓注入法

高頻旋轉電壓信號注入法的基本原理圖如圖1所示。

該電流矢量包括正、負序分量，因為電機的凸極特性的存在，高頻載波電流矢量受到電機凸極的調制，受調制的同頻載波電流信號的負序分量中包含有轉子的磁極位置信息，為提取出所需的負序分量，將電流矢量信號轉換到與載波勵磁電壓矢量同步的參考坐標系中；此坐標系下，正序高頻信號就變成一個直流信號，可通過高通濾波器濾去正序高頻信號和載波信號中的基波分量，提取出包含轉子磁極信息的負序分量，從而實現電機轉子的位置的估算。

3.1.2高頻旋轉電流信號注入法

高頻旋轉電流信號注入法與高頻旋轉電壓信號注入法類似，實現方法也基本類似，旋轉高頻電壓注入法和旋轉高頻電流注入法的區別在于注入的信號不同，后者注入的是電流信號，同樣電機的凸極也將調制由載波電流所生成的載波電壓信號。同樣可通過高通濾波器濾去不需要的載波信號中的基波分量和正序分量，實現負序分量的提取來實現轉子位置信號的提取。

高頻電流信號注入法與高頻電壓信號注入法相比，其主要優點是用較小的電流信號即可產生幅值較大的電壓信號，這是因為勵磁信號通常具有較高的頻率，電機阻抗會隨著頻率的增加而增加；所以較小的高頻電流信號注入即可提取出轉子的位置信號。同時，采用高頻電流信號注入法時，需同時調節載波電流分量和高頻基波電流分量，因而高頻電流信號注入法實現時所需的電流調節器需要很高的帶寬。

3.1.3高頻脈振電壓信號注入法

高頻脈振電壓信號注入法由JK.Ha提出[7]，該方法的理論依據是電機的飽和凸極特性，不需要結構性凸極即可實現轉子位置的估計，因而也適用于面裝式永磁同步電機。矢量控制中，在電機同步旋轉坐標系下，將高頻脈動矢量信號注入到電機同步坐標軸中，注入的高頻脈動信號所產生的高頻阻抗中包含有轉子位置信息，因此通過對高頻阻抗的測量，借助特定的估算方法可實現對電機轉子位置信號的提取。其基本原理圖如圖2所示。

該方法魯棒性強，對電機參數變化不敏感，對測量誤差也不敏感，在零速和低速區都能很好的實現電機轉子位置的估算；但該方法缺點是對調節器參數比較敏感。

3.2 低頻信號注入法

同以上高頻信號注入法類似，低頻信號注入法是在矢量控制的基礎上，對電機的坐標軸注入低頻信號，通過檢測注入信號的電壓響應來提取出轉子的位置信號。在電機的同步旋轉坐標下，向電機估計坐標軸d軸注入一個一定頻率的低頻信號，此時的估計坐標系與實際轉子坐標系有一個誤差，這時注入d軸的低頻信號會在實際轉子坐標系的坐標軸上產生相應的高頻諧波分量，通過實際轉子坐標軸上高頻諧波分量產生的反電動勢并結合電機的運動方程，可得出與兩個坐標系誤差成正比的誤差信號，如果能使該誤差信號收斂到零，就能使估計坐標系準確定位至實際的轉子坐標系，從而得出所需的轉速、位置信號。該種方法對面裝式PMSM同樣適用，文獻[8]提出通過向定子注入低頻電壓信號（與高頻信號不同，低頻信號產生的電磁轉矩可使電機轉子在固定點發生抖動但不會促使電機啟動），從而從注入低頻信號產生的反電動勢中得出所需的轉速、位置信號。

3.3 基于電壓畸變補償策略的轉速估計方法

文獻[9]提出一種適用于低速轉子位置估算方法[9]，大多數中、高速區的位置估算方法是通過估算電機的磁鏈矢量來實現，由于基于脈寬調制逆變器的非線性會產生電壓畸變，大多數磁鏈估算方法在低速范圍內不適用，文獻[9]通過對這種電壓畸變進行在線補償從而使轉速估算達低速區速度估算時所需的精度。

文中，引入中間變量Ap（逆變器工作狀態函數）對逆變器的非線性進行計算；將畸變的電壓誤差作為電壓擾動，構建擾動觀測器行估計，并反饋到給定電壓作為逆變器非線性的補償，其基于電壓畸變補償策略的磁鏈觀測器框圖如圖3所示，經實驗驗證，該方法能顯著提高低速區的轉速估計性能。

3.4 瞬態注入法

學者Reiko Raute等提出一種基于瞬態注入原理的PMSM轉速估計方法，這種注入法不需要專用測試矢量信號注入，通過基本的PWM開關即可實現信號的注入。可檢測瞬態轉子、磁鏈信號，通過檢測估計坐標系下的電流變化率來實現，基本思路如下；

d、q坐標電機數學模型如式（3），注入瞬態零電壓矢量后上式可變為(4)式。在無傳感器PMSM系統中，常規d、q坐標不適用，轉換到de、qe旋轉磁鏈坐標系下，設兩個坐標系誤差角為λerr，如圖4。

上式中，可看成第一部分為電機凸極效應分量，第二部分為反電動勢分量。

則基于ZVCD方法的轉速估計測量原理框圖如圖5所示，其中，LUT是用來補償逆變器非線性引起的影響，由得出的λerr可將電機變量從de、qe坐標系轉換到α、β坐標系下；該方法得到的反電動勢信號很強，即使在超低速下、凸極效應極小的情況下也可以用來檢測電機轉速，而其凸極分量即使在零速下可以滿足電機驅動需求。

4 結語

綜述所屬，永磁同步電機的轉速估計主要分為中、高速區估計方法和適用于低速、零速的轉速估計方法，但各種估算方法都有各自的優點和不足，對于低速區的估計方法來說，應在以下方向上有所提高：

1)進一步優化電動機的凸極結構；使電動機具有比較明顯的凸極特性；

2）進一步提高凸極識別的精度，簡化設計，減小信號提取的計算量，提高信號提取的精度；

3）與中、高速區轉速估算方法有效結合，構成全速區轉子位置、轉速估算方法。使全速區的轉速估算精度達到永磁同步電機高精度閉環控制的需要，是未來無傳感器發展的趨勢。

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