無位置傳感器的永磁同步電機控制技術綜述

閻寶君，劉 健，梁禹升，王世奇

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

近些年來，隨著新型電力電子器件的應用和電力電子技術的發(fā)展，永磁同步電機不斷改進，其優(yōu)點在交流調速系統(tǒng)應用中表現(xiàn)得越來越明顯。 永磁同步電機具有相對更高效率、高功率因數(shù)、高功率密度，更低的溫升、低電樞反應，此外其調速和力矩性能指標也更好。 在其性能優(yōu)越的同時，運行控制算法也更為復雜。 傳統(tǒng)的有位置傳感器永磁同步電機，一般采用編碼器等機械式或者霍爾元件等電磁式位置傳感器，這些傳感器增加了電機本體的體積，而且容易受到外界環(huán)境因素干擾和影響，使系統(tǒng)可靠性降低。

針對各種應用場合，對于不同階段額定運行速度的永磁同步電機和同一應用中的不同運行階段，其適合采用的控制方法有所不同。 故在此對靜止、起動和低速運行、中高速運行和全速度范圍下的永磁同步電機較為常用并且成熟的轉子位置檢測及控制的方法做了列舉和分析。

1 轉子初始位置檢測

永磁同步電機起動一般需要獲取其在靜止狀態(tài)下的轉子位置信息，這對于有位置傳感器的系統(tǒng)實現(xiàn)較為容易，而對于無位置傳感器控制技術，永磁同步電機轉子初始位置檢測無法單純依靠電機電氣特性。 目前業(yè)界較為成熟的檢測方式普遍利用電機本體的結構凸極性和非線性飽和性。

1.1 電感參數(shù)法

內嵌和內埋式永磁同步電機直軸電感和交軸電感大小存在差異，電感參數(shù)法通過向繞組分2 次通入線性無關的電壓矢量，通過測量瞬時響應電流可以計算出電感參數(shù)矩陣，由此得出轉子位置信息[1]。 其原理具體如下：

令

電感參數(shù)矩陣為

分2 次分別向定子繞組通入足夠短暫的測試電壓uα1，uβ1，uα2，uβ2，測得的瞬時響應電流分別為iα1，iβ1，iα2，iβ2，列寫參數(shù)方程為

進一步可解得轉子位置的電角度為

文獻[1]使用電感參數(shù)法對電機初始位置檢測進行了試驗，最大轉子位置角誤差為±10°，證實此方案可行。

1.2 信號注入法

信號注入法，主要是指在永磁同步電機在初始靜止狀態(tài)下，通過向電機定子通入測試電壓信號，在其系統(tǒng)檢測的響應電流中可以分離出轉子位置信息。 由所施加的電壓信號方式和類型不同，可以分為高頻脈振電壓注入法、旋轉高頻電壓注入法、低頻電壓信號注入法、脈沖信號注入法等。

靜止高頻脈振電壓注入法在旋轉坐標系下實施，在其d 軸或q 軸注入高頻的脈振電壓信號，然后采用鎖相環(huán)等算法從其響應電流中獲取轉子位置角。文獻[2]中向q 軸通入高頻測試電壓，如圖1所示。 而文獻[3-4]中向d 軸通入高頻測試電壓，如圖2所示。 研究發(fā)現(xiàn)，q 軸注入會引入額外的脈動，相對于d 軸注入來說靜態(tài)性能較差，實際應用中采用不多。

圖1 d 軸或q 軸脈振高頻電壓注入法Fig.1 d-axis or q-axis pulse high frequency voltage injection method

旋轉高頻電壓注入法在靜止的αβ 坐標系中注入隨電角度旋轉的高頻電壓信號，如圖2所示。由于轉子位置角信息包含在負序電流中，可以直接提取。 該方法通用性較好，可配合適用于多種控制算法框架，難點在于對電流采集精度要求較高，需要性能較高的濾波器配合使用。

圖2 旋轉高頻電壓注入法Fig.2 Rotating high frequency voltage injection method

低頻電壓信號注入法不依賴電機參數(shù)及其凸極性性質。 其原理是，向電機繞組中注入低頻的電壓信號，電機轉子在低頻電壓信號激勵下會產生微振，并且引起電機反電動勢波動。 這些波動包含了轉子位置信息，且波動會直接反應在響應電流中。 該方法根據(jù)注入電壓信號與注入位置的不同，也可以分為旋轉低頻注入法和脈振低頻注入法。

脈沖注入法向電機繞組通入特定脈沖電壓矢量信號，也可以從響應電流中獲取轉子位置角信息。 文獻[5]和文獻[6]中提供了PWM 諧波脈沖注入方法，而文獻[7]中使用矢量測試電壓脈沖注入法。PWM 諧波脈沖注入法采用常規(guī)的PWM 調制方式，控制方式易于實現(xiàn)，但是硬件需要具有較高的采樣精度和采樣速度，并且更適用于電感較小的永磁同步電機系統(tǒng)中。 矢量測試電壓脈沖注入法一般需要構造特殊的電壓矢量，控制相對復雜，并且電流畸變較大，需要采用特殊算法進行處理，文獻[8]中的試驗通過注入等寬電壓脈沖矢量，如圖3所示。 檢測電流響應來獲取初始位置，精度為±1.875°電角度。

圖3 脈沖注入法電壓矢量施加次序Fig.3 Voltage vector application sequence of pulse injection method

2 起動與低速運行控制

2.1 三段式起動法

所謂三段式起動方法（如圖4所示），指采用轉子預定位、強制起動、閉環(huán)運行3 個步驟的無位置傳感器控制。

預定位階段是指在電機靜止時不采用信號注入方式確定轉子位置，而是通過向繞組通入固定電壓脈沖序列，將電機轉子轉動固定在固定的位置上；電機轉子初始位置已知，電機可以從已知的初始位置處強制起動，強制起動即向繞組施加規(guī)定方向依次旋轉的電壓矢量，將轉子從靜止狀態(tài)帶入低速運行狀態(tài)，當電機轉速升至額定轉速的15%左右，無傳感器位置估計算法可以獲得可靠、穩(wěn)定的輸出，從而轉入閉環(huán)運行階段。

圖4 三段式起動法示意圖Fig.4 Schematic diagram of three stage starting method

三段式起動方法為一種開環(huán)起動方法，實現(xiàn)簡單，但因為在預定位階段轉子轉動可能導致電機系統(tǒng)存在反轉情況，所以只適合用在起動轉矩較小且允許起動反轉的系統(tǒng)中[9]。

2.2 I/f 控制法

I/f 控制[10]即恒流頻比控制，是變頻調速的一種，其特點為在電機起動和運行過程中保持電流閉環(huán)，而轉速開環(huán)。 電流的閉環(huán)可以保持電磁轉矩的跟蹤和調節(jié)能力，適用于對轉矩要求較高且起動時間較長的永磁同步電機控制系統(tǒng)。

圖5 I/f 控制電機起動及運行原理Fig.5 Motor starting and operation principle of I/f control

永磁同步電機I/f 控制起動時，實際同步坐標系領先虛擬坐標系90°電角度，如圖5a 所示。 運行過程中，電機轉子跟隨虛擬同步坐標系旋轉，如圖5b 所示，其輸出轉矩為

起動過程中運動方程為

2.3 V/f 控制法

V/f 控制即恒壓頻比控制，通過同時控制電機電壓和頻率，使磁通穩(wěn)定不變。 V/f 控制不需要獲取電機轉子位置，是一種完全開環(huán)的控制方法，不能直接控制電機轉矩電流，也不能準確控制轉速，容易出現(xiàn)振蕩且調速范圍較小[11]。 但是，V/f 控制實現(xiàn)簡單，對硬件系統(tǒng)要求不高，控制參數(shù)也不需要特別精確，適用于精度不高的低成本風機類負載系統(tǒng)中。

3 中速與高速運行控制

永磁同步電機運行在中速或高速階段，其反電動勢是可靠穩(wěn)定的，此時注入信號會使額外損耗增大且容易破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。 所以，在該范圍內無位置傳感器控制一般不采用基于電機凸極模型性質的方法，而更多采用具有更好效果的基于基波模型性質的方法。 這類方法包括模型參考自適應法、觀測器法、擴展卡爾曼濾波法等。

3.1 模型參考自適應法

永磁同步電機的模型參考自適應法，主要由參考模型、可調模型和自適應算法構成[12]，如圖6所示。 實際系統(tǒng)設計中，一般將永磁同步電機本體作為參考模型，將由電機本體參數(shù)構成的物理模型方程作為可調模型。 該方法系統(tǒng)構成簡單，穩(wěn)定性好，具有較好的實用性和估計精度，但依賴電機本體參數(shù)，需要已知比較精確的本體參數(shù)，近年也多采用在系統(tǒng)中加入在線辨識電機參數(shù)算法的技術。

圖6 模型參考自適應法控制結構Fig.6 Model reference adaptive control structure

模型參考自適應的控制算法中，參考模型和可調模型采用相同的電壓物理量輸入。 在可調模型中，先根據(jù)輸入電壓和估算的電機轉子位置，計算出電流輸出，然后與參考模型實際采集的電流值進行實時比較，將兩者誤差通過自適應算法，調節(jié)系統(tǒng)輸入使得計算估計值趨向實際系統(tǒng)值，即使得估計電機轉子位置更加接近真實轉子位置。 文獻[13]通過該方法進行試驗，測得穩(wěn)態(tài)下電機轉子位置角估計最大誤差為±4°。

3.2 滑模觀測器法

滑模觀測器法控制是一種采用滑模變結構增益進行觀測電機轉子位置的方法，其系統(tǒng)控制結構如圖7所示。 需要構建一個電機運行理想狀態(tài)的滑模面，通過根據(jù)采集的信號與理想值的誤差來調整輸入，使得運行狀態(tài)能夠保持在理想滑模面上，轉子位置參數(shù)觀測誤差逐漸衰減為零。

圖7 滑模觀測器法控制結構Fig.7 Control structure of sliding mode observer method

在兩相靜止坐標系下，兩相電流狀態(tài)的滑模觀測器方程為

采用滑模觀測器的控制系統(tǒng)有較好的適應性和穩(wěn)定性，但是這種算法計算量較大，不適用于低成本控制器，并且會引入靜態(tài)擾動。 許多學者對滑模觀測器法提出一系列改進，如：文獻[14-15]提出結合飽和函數(shù)和S 型函數(shù)的滑模觀測器； 文獻[16]在滑模觀測器后加入鎖相環(huán)進行轉子位置估計，效果很明顯。

3.3 擴展卡爾曼濾波法

擴展卡爾曼濾波法的永磁同步電機無位置傳感器控制是采用最優(yōu)線性估計法，其控制框架如圖8所示。

圖8 擴展卡爾曼濾波法控制結構Fig.8 Control structure of extended Kalman filter method

這種方法使用含噪聲的信號對永磁同步電機的動態(tài)系統(tǒng)進行實時遞歸，從而獲取最優(yōu)的轉子位置和轉速估計值。 本質上，擴展卡爾曼濾波法也是一種觀測器法，不同的是，該方法不需要構建類似模型參考自適應控制和滑模觀測器的模型架構，而更近似于一種隨機框架觀測。 擴展卡爾曼濾波法的永磁同步電機無位置傳感器控制控制精度較高，不依賴電機本體系統(tǒng)參數(shù)，還具有卡爾曼濾波的抑制擾動噪聲和測量誤差干擾的優(yōu)點。 但是這種方法計算量大，實時性要求高，需要運行在高性能的處理器上。

文獻[17]采用基于擴展卡爾曼濾波的無位置傳感器算法，在靜止坐標系下以電機磁鏈和轉速為觀測量，系統(tǒng)抗穩(wěn)定性比較好。

4 全速度范圍運行控制

全速度范圍是指永磁同步電機運行在靜止、低速、中速和高速狀態(tài)下運行。 目前，業(yè)界尚未有一種單一通用于全速度范圍下，并能保持良好運行特性的永磁同步電機無位置傳感器控制算法。 行業(yè)應用和學術研究目前對于全速度范圍下的無位置傳感器控制，采用凸極模型法和基波模型法相結合的復合控制法[18]。 復合控制法的起動和低速運行采用凸極模型法，中速和高速運行采用基波模型法，其技術難點在于這2 種控制方法在運行過程中的平滑切換。 采用比較多的有直接切換法和加權平均切換。

文獻[19]采用直接切換法，在起動和低速階段使用脈振高頻注入法，而在中高速階段采用模型參考自適應法。 文獻[19]試驗用2 種算法，同時對電機轉子位置進行觀測，切換滯環(huán)區(qū)間為額定轉速范圍的10%～20%進行直接切換。

圖9 加權平均切換原理Fig.9 Schematic of weighted average switching

文獻[20]采用脈振高頻注入法和滑膜觀測器法結合的復合控制法，如圖9所示，將無位置傳感器的永磁同步電機運行速度分為低速運行區(qū)間、切換過渡運行區(qū)間和高速運行區(qū)間。 在低速運行區(qū)間內使用單獨使用脈振高頻注入法進行轉子位置觀測，在高速運行區(qū)間內單獨使用滑膜觀測器法，而在切換過渡運行區(qū)間同時使用兩種方法，將2 種方法觀測結果進行線性加權作為最終結果，試驗運行平穩(wěn)，負載動態(tài)性能良好。

5 結語

無位置傳感器的永磁同步電機控制技術主要在于轉子位置檢測和估算。 靜止狀態(tài)下的初始位置檢測和低速運行狀態(tài)下主要依靠電機凸極模型性質。 隨著轉速增加，凸極模型的注入信號會引起振蕩和損耗。 所以在中高速狀態(tài)下，控制主要依靠電機基波模型的性質，最具代表性的是采用各種觀測器對轉子位置進行估算，這種方法比較依賴電機本體參數(shù)。 全速度范圍下的復合控制法的技術主要在于研究如何保證過渡點的平滑切換。 結合當前技術應用和面臨的問題，無位置傳感器的永磁同步電機控制技術研究趨勢可能為：①低轉速下常采用的信號注入法改進優(yōu)化保證電機穩(wěn)定起動；②在中高速控制算法中加入電機參數(shù)自動辨識算法，減小系統(tǒng)的參數(shù)敏感性問題； ③在低速和中高速的過渡階段，保證兩種控制算法在切換點的平滑切換。