張少華，吳湘頻

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064）

0 引言

永磁同步電機(jī)因具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、功率因素高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在要求高控制精度和高可靠性的場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用。在這些應(yīng)用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)速閉環(huán)是電機(jī)獲得高精度控制的前提，但在一些場(chǎng)合，如1）超高速應(yīng)用時(shí)；2）電機(jī)尺寸受限時(shí)；3）極惡劣環(huán)境中，溫度、濕度、強(qiáng)振動(dòng)等不利因素影響時(shí)；電機(jī)傳感器的精度、線纜的安裝都很難保證，轉(zhuǎn)速反饋一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將造成災(zāi)難性的后果。

因此，人們希望能找到一種替代傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器測(cè)量電機(jī)參數(shù)的方法。無(wú)傳感器控制技術(shù)就是利用電機(jī)繞組中的相關(guān)易測(cè)變量，如定子電壓、定子電流、繞組磁鏈等，通過(guò)特定的算法來(lái)估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置或速度，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)高精度控制[1]。

1 PMSM無(wú)傳感器控制發(fā)展及分類

1989年L.A.Jones用觀測(cè)器法實(shí)現(xiàn)了永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算，這一成功應(yīng)用被認(rèn)為是無(wú)傳感器技術(shù)在PMSM控制中的首次應(yīng)用[2]。目前，按速區(qū)劃分，可將永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器劃分為中、高速區(qū)無(wú)傳感器控制方法和低速區(qū)（包括零速）無(wú)傳感器控制方法。其中，中、高速區(qū)轉(zhuǎn)速估算方法大多依賴于電機(jī)基波模型，是通過(guò)各種算法獲取與轉(zhuǎn)速有關(guān)的各種物理量（電壓、電流、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)等），并從這些物理量中提取出想要獲得的轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速信號(hào)，中、高速區(qū)估算方法主要有以下幾種：

1）基于數(shù)學(xué)模型的開(kāi)環(huán)估計(jì)方法；

2）觀測(cè)器估計(jì)法，觀測(cè)器法的研究成果最為豐碩，可分為全/降階狀態(tài)觀測(cè)器、滑模觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼觀測(cè)器、模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器等；

3）基于人工智能算法（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等）的估算方法。

但應(yīng)用于中、高速區(qū)的基于電機(jī)基波模型的估算方法需要提取的物理量大多與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于低速甚至零速時(shí)，在實(shí)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(qū)的各種估算方法不適合應(yīng)用于低速區(qū)甚至零速區(qū)。為提高永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器技術(shù)在低速區(qū)甚至零速區(qū)的調(diào)速性能，拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍，零速、低速的無(wú)傳感器控制技術(shù)是必須解決的問(wèn)題。因而，無(wú)傳感器技術(shù)將來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)是改進(jìn)低速段的調(diào)速性能。

2 轉(zhuǎn)子初始位置定位方法

2.1 預(yù)定位法

該方法是指通過(guò)特殊的方法迫使電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和電機(jī)某一相對(duì)齊?？赏ㄟ^(guò)迫使電流矢量在所需方向維持一段時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但起動(dòng)時(shí)易受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，使轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置達(dá)到預(yù)定位置變得十分困難，可能造成電機(jī)的啟動(dòng)失敗。

2.2 基于等幅測(cè)試矢量勵(lì)磁和電流檢測(cè)的初始位置估計(jì)方法

這種轉(zhuǎn)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(jī)的凸極特性，而是依據(jù)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(jié)構(gòu)凸極不明顯的永磁同步電機(jī)。其實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)電機(jī)電樞繞組施加一系列幅值想等的空間電壓矢量勵(lì)磁信號(hào)，利用測(cè)量到的電機(jī)相電流幅值對(duì)轉(zhuǎn)子的初始位置進(jìn)行預(yù)估，該方法的缺點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程時(shí)需進(jìn)行依次迭代，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

2.3 基于高頻脈振電壓矢量勵(lì)磁和相位檢測(cè)的IPMSM初始位置估計(jì)

這種方法由Noguchi T.提出[3]。該方法主要依據(jù)IPMSM的凸極特性和轉(zhuǎn)子鐵心的磁飽和特性來(lái)估算電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置。其實(shí)現(xiàn)方法是在等效旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)坐標(biāo)軸注入高頻電壓信號(hào)，注入的電壓信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的高頻電流信號(hào)，利用注入高頻電壓信號(hào)與高頻電流分量之間的相角來(lái)提取出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)IPSM的初始位置估算，該方法不依賴于電機(jī)參數(shù)，但同樣需要較大的計(jì)算量。

2.4 INFORM法

INFOR法由Schroedl M.提出[4]，僅適用于內(nèi)埋式永磁電機(jī)。其原理依據(jù)是電機(jī)的凸極特性，由于電機(jī)凸極結(jié)構(gòu)的存在，電機(jī)定子繞組的電感會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的變化而發(fā)生周期性的變化，可利用內(nèi)置式永磁電機(jī)的這一凸極特性來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算。復(fù)“INFORM”電感定義為給定電壓空間矢量與相應(yīng)電流矢量變化率的比值，具體實(shí)現(xiàn)方法是先向電機(jī)定子繞組施加短時(shí)間且方向不同的電壓空間矢量，然后檢測(cè)出相應(yīng)的定子電流空間矢量變化率，即可以從“INFORM”復(fù)電感中提取出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的信息。該估算方法計(jì)算簡(jiǎn)單，不依賴于電機(jī)方程，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性強(qiáng)，但該方法在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)對(duì)電流檢測(cè)值的精度要求較高，實(shí)際物理量測(cè)量精度低時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的初始位置的檢測(cè)有較大誤差。同時(shí)該方法實(shí)現(xiàn)的前提是假設(shè)電機(jī)的磁場(chǎng)按照正弦分布，如電機(jī)磁場(chǎng)發(fā)生畸變時(shí)會(huì)影響定位結(jié)果。

2.5 長(zhǎng)、短時(shí)間電壓脈沖注入法

該方法由Boussak,M.等提出[5]，主要應(yīng)用于IPMSM，首先通過(guò)對(duì)IPMSM的繞組施加3個(gè)短時(shí)間電壓脈沖（約200 μs） U1、U2、U3,分別得出電機(jī)三相繞組中的Ia、Ib、Ic，通過(guò)三項(xiàng)繞組中電流的 Δ Ia、 ΔIb、 ΔIc將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置劃分為24個(gè)15°電角度的區(qū)域。并通 Δ Ia、 ΔIb、 ΔIc計(jì)算出轉(zhuǎn)子角度，其計(jì)算公式如下式所示，

然后通過(guò)對(duì)電機(jī)繞組施加一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間（約700μs）改變電機(jī)磁場(chǎng)回路的磁飽和狀態(tài)來(lái)區(qū)分轉(zhuǎn)子的N極和S極，如果電機(jī)繞組的磁鏈和施加的長(zhǎng)時(shí)間脈沖產(chǎn)生的磁鏈方向一致，會(huì)得到一個(gè)大約為普通電流2倍的峰值電流，從而可區(qū)分出轉(zhuǎn)子的N極和S極。至此，可實(shí)現(xiàn)IPMSM轉(zhuǎn)子位置的初始定位。

3 低速區(qū)轉(zhuǎn)速估計(jì)方法

3.1 高頻信號(hào)注入法

高頻信號(hào)注入法由Lorenz等提出[6]，在PMSM的低速區(qū)轉(zhuǎn)速估算中已經(jīng)得到較大的發(fā)展，其主要原理依據(jù)是電機(jī)的凸極特性，其中，內(nèi)置式PMSM是結(jié)構(gòu)性凸極，而面裝式PMSM凸極是指當(dāng)電機(jī)主磁路達(dá)到飽和時(shí)而表現(xiàn)出來(lái)的飽和性凸極。高頻信號(hào)注入法主要包括高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法、高頻旋轉(zhuǎn)電流信號(hào)注入法、高頻脈振電壓信號(hào)注入法。其基本原理是:在電機(jī)等效旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，向電機(jī)等效定子坐標(biāo)軸注入高頻電壓信號(hào)或者高頻電流信號(hào)（選擇高頻電壓信號(hào)還是高頻電流信號(hào)主要取決于所選擇的逆變器類型，即當(dāng)選擇的是電壓源型逆變器時(shí)選擇高頻電壓信號(hào)注入，選擇的是電流源型逆變器時(shí)選擇高頻電流信號(hào)），使其產(chǎn)生恒定幅值的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，或產(chǎn)生沿某一軸線脈動(dòng)的交變磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的凸極會(huì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生調(diào)制作用，相應(yīng)的定子電流會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)相關(guān)的高頻載波分量，可從這些高頻載波分量中提取出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。

3.1.1高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法

高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)注入法的基本原理圖如圖1所示。

該電流矢量包括正、負(fù)序分量，因?yàn)殡姍C(jī)的凸極特性的存在，高頻載波電流矢量受到電機(jī)凸極的調(diào)制，受調(diào)制的同頻載波電流信號(hào)的負(fù)序分量中包含有轉(zhuǎn)子的磁極位置信息，為提取出所需的負(fù)序分量，將電流矢量信號(hào)轉(zhuǎn)換到與載波勵(lì)磁電壓矢量同步的參考坐標(biāo)系中；此坐標(biāo)系下，正序高頻信號(hào)就變成一個(gè)直流信號(hào)，可通過(guò)高通濾波器濾去正序高頻信號(hào)和載波信號(hào)中的基波分量，提取出包含轉(zhuǎn)子磁極信息的負(fù)序分量，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置的估算。

3.1.2高頻旋轉(zhuǎn)電流信號(hào)注入法

高頻旋轉(zhuǎn)電流信號(hào)注入法與高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)注入法類似，實(shí)現(xiàn)方法也基本類似，旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法和旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法的區(qū)別在于注入的信號(hào)不同，后者注入的是電流信號(hào)，同樣電機(jī)的凸極也將調(diào)制由載波電流所生成的載波電壓信號(hào)。同樣可通過(guò)高通濾波器濾去不需要的載波信號(hào)中的基波分量和正序分量，實(shí)現(xiàn)負(fù)序分量的提取來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的提取。

高頻電流信號(hào)注入法與高頻電壓信號(hào)注入法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是用較小的電流信號(hào)即可產(chǎn)生幅值較大的電壓信號(hào)，這是因?yàn)閯?lì)磁信號(hào)通常具有較高的頻率，電機(jī)阻抗會(huì)隨著頻率的增加而增加；所以較小的高頻電流信號(hào)注入即可提取出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。同時(shí)，采用高頻電流信號(hào)注入法時(shí)，需同時(shí)調(diào)節(jié)載波電流分量和高頻基波電流分量，因而高頻電流信號(hào)注入法實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的電流調(diào)節(jié)器需要很高的帶寬。

3.1.3高頻脈振電壓信號(hào)注入法

高頻脈振電壓信號(hào)注入法由JK.Ha提出[7]，該方法的理論依據(jù)是電機(jī)的飽和凸極特性，不需要結(jié)構(gòu)性凸極即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，因而也適用于面裝式永磁同步電機(jī)。矢量控制中，在電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將高頻脈動(dòng)矢量信號(hào)注入到電機(jī)同步坐標(biāo)軸中，注入的高頻脈動(dòng)信號(hào)所產(chǎn)生的高頻阻抗中包含有轉(zhuǎn)子位置信息，因此通過(guò)對(duì)高頻阻抗的測(cè)量，借助特定的估算方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的提取。其基本原理圖如圖2所示。

該方法魯棒性強(qiáng)，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，對(duì)測(cè)量誤差也不敏感，在零速和低速區(qū)都能很好的實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估算；但該方法缺點(diǎn)是對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)比較敏感。

3.2 低頻信號(hào)注入法

同以上高頻信號(hào)注入法類似，低頻信號(hào)注入法是在矢量控制的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)的坐標(biāo)軸注入低頻信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)注入信號(hào)的電壓響應(yīng)來(lái)提取出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。在電機(jī)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，向電機(jī)估計(jì)坐標(biāo)軸d軸注入一個(gè)一定頻率的低頻信號(hào)，此時(shí)的估計(jì)坐標(biāo)系與實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系有一個(gè)誤差，這時(shí)注入d軸的低頻信號(hào)會(huì)在實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上產(chǎn)生相應(yīng)的高頻諧波分量，通過(guò)實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸上高頻諧波分量產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)并結(jié)合電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，可得出與兩個(gè)坐標(biāo)系誤差成正比的誤差信號(hào)，如果能使該誤差信號(hào)收斂到零，就能使估計(jì)坐標(biāo)系準(zhǔn)確定位至實(shí)際的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，從而得出所需的轉(zhuǎn)速、位置信號(hào)。該種方法對(duì)面裝式PMSM同樣適用，文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)向定子注入低頻電壓信號(hào)（與高頻信號(hào)不同，低頻信號(hào)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩可使電機(jī)轉(zhuǎn)子在固定點(diǎn)發(fā)生抖動(dòng)但不會(huì)促使電機(jī)啟動(dòng)），從而從注入低頻信號(hào)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)中得出所需的轉(zhuǎn)速、位置信號(hào)。

3.3 基于電壓畸變補(bǔ)償策略的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法

文獻(xiàn)[9]提出一種適用于低速轉(zhuǎn)子位置估算方法[9]，大多數(shù)中、高速區(qū)的位置估算方法是通過(guò)估算電機(jī)的磁鏈?zhǔn)噶縼?lái)實(shí)現(xiàn)，由于基于脈寬調(diào)制逆變器的非線性會(huì)產(chǎn)生電壓畸變，大多數(shù)磁鏈估算方法在低速范圍內(nèi)不適用，文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)這種電壓畸變進(jìn)行在線補(bǔ)償從而使轉(zhuǎn)速估算達(dá)低速區(qū)速度估算時(shí)所需的精度。

文中，引入中間變量Ap（逆變器工作狀態(tài)函數(shù)）對(duì)逆變器的非線性進(jìn)行計(jì)算；將畸變的電壓誤差作為電壓擾動(dòng)，構(gòu)建擾動(dòng)觀測(cè)器行估計(jì)，并反饋到給定電壓作為逆變器非線性的補(bǔ)償，其基于電壓畸變補(bǔ)償策略的磁鏈觀測(cè)器框圖如圖3所示，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能顯著提高低速區(qū)的轉(zhuǎn)速估計(jì)性能。

3.4 瞬態(tài)注入法

學(xué)者Reiko Raute等提出一種基于瞬態(tài)注入原理的PMSM轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，這種注入法不需要專用測(cè)試矢量信號(hào)注入，通過(guò)基本的PWM開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的注入?？蓹z測(cè)瞬態(tài)轉(zhuǎn)子、磁鏈信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)估計(jì)坐標(biāo)系下的電流變化率來(lái)實(shí)現(xiàn)，基本思路如下；

d、q坐標(biāo)電機(jī)數(shù)學(xué)模型如式（3），注入瞬態(tài)零電壓矢量后上式可變?yōu)?4)式。在無(wú)傳感器PMSM系統(tǒng)中，常規(guī)d、q坐標(biāo)不適用，轉(zhuǎn)換到de、qe旋轉(zhuǎn)磁鏈坐標(biāo)系下，設(shè)兩個(gè)坐標(biāo)系誤差角為λerr，如圖4。

上式中，可看成第一部分為電機(jī)凸極效應(yīng)分量，第二部分為反電動(dòng)勢(shì)分量。

則基于ZVCD方法的轉(zhuǎn)速估計(jì)測(cè)量原理框圖如圖5所示，其中，LUT是用來(lái)補(bǔ)償逆變器非線性引起的影響，由得出的λerr可將電機(jī)變量從de、qe坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到α、β坐標(biāo)系下；該方法得到的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)很強(qiáng)，即使在超低速下、凸極效應(yīng)極小的情況下也可以用來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而其凸極分量即使在零速下可以滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜述所屬，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速估計(jì)主要分為中、高速區(qū)估計(jì)方法和適用于低速、零速的轉(zhuǎn)速估計(jì)方法，但各種估算方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，對(duì)于低速區(qū)的估計(jì)方法來(lái)說(shuō)，應(yīng)在以下方向上有所提高：

1)進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的凸極結(jié)構(gòu)；使電動(dòng)機(jī)具有比較明顯的凸極特性；

2）進(jìn)一步提高凸極識(shí)別的精度，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小信號(hào)提取的計(jì)算量，提高信號(hào)提取的精度；

3）與中、高速區(qū)轉(zhuǎn)速估算方法有效結(jié)合，構(gòu)成全速區(qū)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速估算方法。使全速區(qū)的轉(zhuǎn)速估算精度達(dá)到永磁同步電機(jī)高精度閉環(huán)控制的需要，是未來(lái)無(wú)傳感器發(fā)展的趨勢(shì)。

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