無傳感器技術在PMSM矢量控制中的發展與應用

趙偉 黃文娟

摘 要：永磁同步電動機（PMSM）由于其高轉矩性能，在要求良好動態響應的拖動系統應用中通常是首選。本文以PMSM無傳感器技術的發展與應用為研究對象，首先對PMSM矢量控制技術和無傳感器進行簡要的概述，然后再分析無傳感器控制技術在PMSM矢量控制系統當中的發展與應用，給出了當前已獲得應用的一些控制方法及建議。

關鍵詞：無傳感器控制；永磁同步電動機；矢量控制

0 引言

永磁同步電動機由于其體積小，高功率密度、高氣隙磁通密度、高扭矩/慣性比，高轉矩能力、效率高和免費維護，廣泛應用于機床、航天等要求高性能以及良好動態響應的工業應用[1]。在外部干擾和系統的參數發生變化時，電機所安裝的傳感器獲得的速度和/或位置信號不僅取決于系統響應的速度和精度，而且還受所選擇的控制策略的魯棒性的影響。因此，人們轉而開始關注無傳感器控制技術，期望能夠克服現有硬件傳感器所帶來的不便，實現控制系統性能的提升。文章對無傳感器技術在PMSM直接轉矩控制中的發展與應用進行簡要的概述。

1 矢量控制（VR）系統

永磁同步電動機的矢量控制理論是將交流電機模型經過坐標變換（ park變換、Clark變換）得到直流電機模型。同時將交流電流轉換成直流電機模型的勵磁電流和轉矩電流，這樣就實現了使用直流電機的控制方式來控制交流電機的目的。根據用途不同，則PMSM所選用的控制策略也不盡相同，例如直接轉矩控制（Id = 0控制）；最大轉矩電流比控制；最大輸出功率控制等。采用高速電動機控制專用DSP、嵌入式實時軟件操作系統，使變頻器獲得高起動轉矩、高過載能力，這是現代永磁同步電機矢量控制的發展趨勢。

2 無傳感器技術的概述

無傳感器控制技術[2]指拋開傳統的在電機中安裝傳感器的做法，利用電機的數學模型，通過檢測易于測量的電機的電信號來實現對于PMSM的矢量控制。近年來該技術取得了長足的發展，涌現出了許多行之有效的控制策略，不但提高了可靠性、穩定性，并應用到了實際生產中去。

3 無位置傳感器技術的發展

隨著高速DSP芯片技術的的發展，使得PMSM的無傳感器控制技術已經從理論研究進入到實際應用階段成為了可能。目前無傳感器技術的難點在于轉子初始位置的檢測，通過對電機電氣參數的檢測無法計算出轉子的實際初始位置，只有在電機開始旋轉后，估計值才能跟上實際值，這是它相比于實際傳感器的一個必須要解決的問題。此外，應用無傳感技術的電機系統，啟動和低速運轉時還存在有一些亟待解決的問題。

4 無位置傳感器技術的控制策略

上文已經對PMSM矢量控制理論、無傳感器技術及其發展進行了介紹與分析。永磁同步電動機無傳感器控制策略主要有以下幾種[3-5]：

（1）直接計算法

利用PMSM的數學模型，根據電機的實際參數進行推導，就求得轉子實際轉速與位置。該算法易于受到電機參數變化的影響，應用較少。

（2）自適應觀測器

自適應觀測器主要是采用電機的數學模型來估計電機的狀態，并且該估計狀態要不斷連續的通過反饋校正方式進行校正，最終實現對非線性動態系統的狀態和參數進行實時觀測。

（3）高頻注入方法

這種方法只能用于凸極式永磁同步電動機（IPMSM），它是利用了該電機的凸極效應與轉子位置的對應關系，來取得轉子的位置和轉速。具體有脈動高頻電壓信號注入法和旋轉高頻電壓信號注入法兩類。

（4）卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波是針對線性系統而提出來的，PMSM的數學模型具有較強的非線性，不能直接應用該方法。常用的方法是將該模型線性化，使用擴展卡爾曼濾波算法，通過測量電機的電信號進行電機轉子速度與轉子位置的估計。該算法在電機額定速度運行時可能出現較大誤差，而且在低速負載轉矩時不能有效估計，計算量大也是其主要缺點。

（5）基于人工智能的無傳感器控制方法

將人工智能應該到無傳感器控制中最常用的技術就是模糊控制與神經網絡的結合，它們不需要系統精確的數學模型，并且可被應用于非線性系統。

（6）滑模變結構觀測器

滑模變結構觀測器主要是用于定子磁通估計，觀測器在低速使用電壓-電流組合模型，而在高速時切換成電壓模型。旋轉高頻電壓注入方案用于獲得低速運行時的轉子位置。此外，轉子速度是通過動態調整算法利用所估計定子磁通速度來進行估計。該方法對于電機參數變化具有很好的魯棒性，而抖動現象則是其主要缺點。

5 結語

當前，各種無傳感器控制技術在應對永磁同步電動機中高速運行時都具有較好的控制效果，而對于低速運行則不盡如人意，存在著各種問題，尤其是啟動問題，這都待進一步的研究和開發。

參考文獻：

[1]李志民，張遇杰.同步電動機調速系統[M].北京：機械工業出版社，1996.

[2]王萍，李斌，黃瑞祥，李桂丹.基于神經網絡的無速度傳感器直接轉矩控制系統的研究[J].電工技術學報，2003（02）：5-8，4.

[3]Xu Wang， Yan Xing，Zhipeng He， Yan Liu. Research and Simulation of DTC Based on SVPWM of PMSM[C].2012 International Workshop on Information and Electronics Engineering （IWIEE）， Procedia Engineering，2012（29）：1685-1689

[4]廖勇，張鳳蕊.無傳感器矢量控制系統及其速度估算的研究[J].電工技術學報，2004（02）：36-40.

[5]Andreescu Gheorghe-Daniel， Pitic Cristian Ilie， Blaabjerg Frede， Boldea Ion. Combined flux observer with signal injection enhancement for wide speed range sensorless direct torque control of IPMSM drives. IEEE Trans Energy Convers 2008；23（2）：393-402.

基金項目：唐山市應用基礎研究項目（13110207b）