永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)研究綜述

王猛

摘要：磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量定子側(cè)電流和端電壓計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置，替代了傳統(tǒng)的機(jī)械位置傳感器，不僅降低了成本，而且提高了控制精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);無(wú)位置傳感器;控制算法

永磁同步電機(jī)，特別是內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，具有很高的功率、轉(zhuǎn)矩密度以及功率因數(shù)，在電動(dòng)汽車、航空、航海等體積受限的工業(yè)領(lǐng)域獲得較大的應(yīng)用。為了降低控制系統(tǒng)的成本、提升高速區(qū)域的控制精度，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是，目前無(wú)位置控制技術(shù)普遍存在低速區(qū)觀測(cè)精度較差的問(wèn)題，而該轉(zhuǎn)速區(qū)域的策略直接決定了全速度范圍無(wú)位置控制的穩(wěn)定性和算法的可行性，因此低速區(qū)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)控制策略及其算法研究更亟待研究。

一、無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)工作原理

無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)是在電機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座不安裝電磁或光電傳感器的情況下，利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號(hào)，通過(guò)直接計(jì)算、參數(shù)辨識(shí)、狀態(tài)估計(jì)、間接測(cè)量等手段，從定子邊較易測(cè)量的量如定子電壓、定子電流中提取出與速度、位置有關(guān)的量，利用這些檢測(cè)到的量和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，取代機(jī)械傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制。

二、不同轉(zhuǎn)速下的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)

1.中高速無(wú)位置傳感器。電機(jī)運(yùn)行在中高速時(shí)，電機(jī)的電流、電壓和反電動(dòng)勢(shì)等信號(hào)都比較強(qiáng)，因而，利用它們進(jìn)行速度和位置的估計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。而且這些有利于電機(jī)凸極性的無(wú)位置傳感器技術(shù)，可以用于各種類型的永磁同步電機(jī)。目前，應(yīng)用比較多的中高速無(wú)位置傳感器技術(shù)有：（l）基于反電勢(shì)的位置估計(jì)法。通過(guò)電機(jī)的電壓方程計(jì)算出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，這種方法僅依賴于電機(jī)的基波方程，實(shí)施起來(lái)非常簡(jiǎn)單。由于反電動(dòng)勢(shì)幅值與速度成正比，在零速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零;當(dāng)轉(zhuǎn)速很低時(shí)，由于信噪比很小，加之其他干擾因素，也不能精確的估計(jì)轉(zhuǎn)子的速度和位置，所以在靜止和低速時(shí)，利用反電勢(shì)的估計(jì)算法都不能正常工作。（2）基于磁鏈的位置估計(jì)法。這類方法是通過(guò)電機(jī)端部電壓和電流來(lái)進(jìn)行定子磁鏈的計(jì)算，以估計(jì)電機(jī)位置和速度。這種方法直觀性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算，一般采用數(shù)字積分，因此，直流偏置和積分漂移的問(wèn)題難以避免。觀測(cè)速度的準(zhǔn)確性還受電機(jī)參數(shù)和測(cè)量誤差的較大影響，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，需加上參數(shù)辨識(shí)和誤差校正環(huán)節(jié)來(lái)提高系統(tǒng)抗參數(shù)變化和抗干擾的魯棒性，才能使系統(tǒng)獲得良好的控制效果。為了改善純積分器帶來(lái)直流偏置和積分漂移問(wèn)題，研究者提出了不少先進(jìn)算法來(lái)代替純積分器，如低通濾波、低通濾波加飽和反饋、純積分器加P I調(diào)節(jié)這些對(duì)純積分器的改進(jìn)方法都有一定的應(yīng)用價(jià)值，但算法和硬件要求都比單純的純積分復(fù)雜。（3）基于狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)法。狀態(tài)觀測(cè)器法通過(guò)完整的電機(jī)數(shù)學(xué)模型（電氣和機(jī)械方程），包括可測(cè)的電壓、電流變量和未知的轉(zhuǎn)子速度和位置變量。這種位置估計(jì)算法具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、參數(shù)魯棒性強(qiáng)及適應(yīng)面廣等特點(diǎn)，不足之處是算法復(fù)雜，計(jì)算量大。（4）基于智能控制器的位置估計(jì)法閣。最常用的人工智能方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯兩種。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，用誤差反向傳播算法的自適應(yīng)律進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計(jì)。網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為電機(jī)的參數(shù)，可以通過(guò)訓(xùn)練一個(gè)多層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度的估計(jì)，然而在系統(tǒng)中必須根據(jù)樣本數(shù)據(jù)采用實(shí)驗(yàn)法確定該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱藏層、輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、節(jié)點(diǎn)的權(quán)值以及其初始值。同時(shí)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度估計(jì)器的性能受樣本數(shù)據(jù)的影響很大，通過(guò)引入模糊邏輯到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中可以解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的上述問(wèn)題。這種結(jié)構(gòu)基本上是一種具有模糊特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但是這種系統(tǒng)中估計(jì)器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)的調(diào)節(jié)都變得非常困難。

2.低速無(wú)位置傳感器。電機(jī)運(yùn)行在較低速度時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)很小，無(wú)法從中提取位置和速度信號(hào)。另外，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，特別是帶負(fù)載運(yùn)行情況下，散熱效果差，溫升大，定子電阻不再是常量。因而，前面提到的幾種無(wú)位置傳感器估計(jì)方法，都無(wú)法滿足低速時(shí)的控制要求。為了避開利用反電勢(shì)和定子電阻變化的影響，有效估計(jì)低速時(shí)永磁同步電機(jī)的位置，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究，解決途徑主要有以下幾種：（1）高頻信號(hào)注入法，是目前應(yīng)用最多的一種適用于低速時(shí)的無(wú)位置傳感器估計(jì)方法。高頻信號(hào)注入法具有三個(gè)基本特征：適用的電動(dòng)機(jī)必須能表現(xiàn)出凸極效應(yīng)，需要注入高頻激勵(lì)信號(hào)，需要高帶寬的噪聲過(guò)濾器，每個(gè)特征都可以利用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此高頻注入法的實(shí)現(xiàn)也有多種方式。高頻信號(hào)注入法對(duì)電機(jī)參數(shù)變化完全不敏感。另外，由于高頻信號(hào)直接注入到定子坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸中，不需要進(jìn)行從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。缺點(diǎn)是需要電機(jī)表現(xiàn)出凸極性，對(duì)于凸極同步電機(jī)、內(nèi)埋式和內(nèi)插式永磁同步電機(jī)可以直接應(yīng)用，而對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，凸極性不明顯，必須通過(guò)結(jié)構(gòu)上的改變或者利用磁飽和得到顯著的凸極性，才可以運(yùn)用高頻信號(hào)注入法。（2）基于電流模型的模型參考自適應(yīng)法[川，利用定子電流偏差作為反饋信號(hào)，通過(guò)方程微分得到自適應(yīng)率函數(shù)。由于該方法在估計(jì)電機(jī)速度和位置的同時(shí)，還可以在線辨識(shí)定子電阻，因而不受定子電阻變化影響。但該估計(jì)方法的輸入信號(hào)是定子電流偏差，估計(jì)精度直接依賴定子電流的檢測(cè)精度，因而對(duì)電流檢測(cè)方法要求較高。（3）基于電壓模型的系統(tǒng)辨識(shí)法，該方法將磁飽和特性引入電壓模型，直接利用電壓電流信號(hào)即可估計(jì)出磁極位置，不需要其他電機(jī)參數(shù)，而且此模型不僅可以建在靜止坐標(biāo)系上，也可以建在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。但該估計(jì)算法中和系統(tǒng)辨識(shí)相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)只能憑經(jīng)驗(yàn)選取，若不能正確選取，估計(jì)算法根本就不能收斂。

3.初始位置的估計(jì)和起動(dòng)。無(wú)位置傳感器技術(shù)的應(yīng)用給永磁同步電機(jī)帶來(lái)了起動(dòng)問(wèn)題。機(jī)械式位置傳感器能探知電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子磁極位置，使電機(jī)和逆變器配合工作與自控同步狀態(tài)，因而電機(jī)起動(dòng)不會(huì)失步。目前，無(wú)位置傳感器技術(shù)還無(wú)法在電機(jī)靜止時(shí)從電機(jī)的電氣特性知道轉(zhuǎn)子的初始位置，只有電機(jī)起動(dòng)到一定的轉(zhuǎn)速后，電機(jī)才能正常運(yùn)行于無(wú)位置傳感器狀態(tài)下因此起動(dòng)問(wèn)題是同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器運(yùn)行的一大難題。

在永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制中，轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)和低速運(yùn)行控制主要依靠轉(zhuǎn)子凸極跟蹤，該凸極特性可以是結(jié)構(gòu)性凸極或飽和性凸極，但高頻信號(hào)注入法引起額外損耗，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理能力要求較高。在中高速運(yùn)行區(qū)域，主要依靠電機(jī)的基波模型采用各類觀測(cè)器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，但要重視算法對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感和參數(shù)漂移問(wèn)題。復(fù)合控制算法重點(diǎn)關(guān)注算法切換的過(guò)渡過(guò)程。根據(jù)永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制策略的發(fā)展歷程，該研究方向今后可能具有以下的發(fā)展趨勢(shì)：一是針對(duì)高頻信號(hào)注入法，研究更加可靠高效的數(shù)字信號(hào)處理算法用于分離高頻響應(yīng)，盡量降低相位延遲對(duì)算法精度的影響;二是針對(duì)基于觀測(cè)器的算法，提高算法的自適應(yīng)能力，使算法受電機(jī)參數(shù)影響更小，降低算法的參數(shù)依賴性和敏感性;三是研究可靠性高、銜接性好的復(fù)合控制算法，尤其是恰當(dāng)處理算法切換的過(guò)渡過(guò)程。由于每種算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，各自的適用范圍。如果要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)全速范圍內(nèi)的無(wú)位置傳感器，就需要將各種算法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，以其達(dá)到較理想的控制效果。這也體現(xiàn)了無(wú)傳感器控制技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì)

參考文獻(xiàn)

[1]王峰.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制.2014

[2]毛曉英.改進(jìn)高頻信號(hào)注入法的IPMSM轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)研究.2014

（作者單位：丹佛斯（天津）有限公司）