永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制在電力推進(jìn)中的應(yīng)用綜述

鄧智浩，李爭(zhēng)光，祝后權(quán)，詹宇聲

永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制在電力推進(jìn)中的應(yīng)用綜述

鄧智浩，李爭(zhēng)光，祝后權(quán)，詹宇聲

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

在高性能的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，通常依靠機(jī)械式傳感器為推進(jìn)電機(jī)提供準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置和速度等信息。但受艙室內(nèi)惡劣環(huán)境的影響，傳感器的精度可能會(huì)下降甚至將信號(hào)完全丟失，此時(shí)可將無(wú)位置/速度傳感器控制算法得到的轉(zhuǎn)子相關(guān)信息作為備用，從而提高整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。本文以基于矢量控制的永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)各種主流的無(wú)傳感器控制方案的原理、特點(diǎn)和最新發(fā)展情況進(jìn)行了介紹和總結(jié),并對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置定位和全速范圍復(fù)合控制等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

永磁同步電機(jī) 無(wú)傳感器控制 滑模觀測(cè)器 信號(hào)注入 轉(zhuǎn)子初始位置

0 引言

近年來(lái)，節(jié)能減排的純電動(dòng)船舶成為實(shí)現(xiàn)內(nèi)河綠色航運(yùn)發(fā)展的關(guān)鍵。永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)體積小、重量輕、設(shè)計(jì)安裝靈活、調(diào)速范圍寬、功率因數(shù)和效率高、易維護(hù)且冷卻簡(jiǎn)單、相關(guān)技術(shù)日益成熟，故其作為船舶電推系統(tǒng)的主推進(jìn)電機(jī)具備明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的永磁化成為未來(lái)艦船發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

本文選取反電勢(shì)為正弦波的永磁電機(jī)為被控對(duì)象。光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器雖然可以準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，但這些器件需安裝在轉(zhuǎn)子上，接口、接線等會(huì)使電機(jī)體積增大、密封性下降甚至造成信號(hào)丟失，同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。機(jī)械式位置傳感器價(jià)格高昂且可靠性易受環(huán)境影響而降低，需要定期維護(hù)[1～2]。考慮到位置傳感器輸出信號(hào)的不確定性，引入無(wú)傳感器（為避免歧義本文中出現(xiàn)的“無(wú)傳感器”均指“無(wú)位置/速度傳感器”）控制技術(shù)對(duì)提高船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)可靠性具有重要的意義。此外，像輪緣、甲板機(jī)械、特種推進(jìn)電機(jī)等設(shè)備根本無(wú)法安裝位置傳感器，對(duì)無(wú)傳感器控制的需求也較為迫切。

PMSM無(wú)傳感器控制技術(shù)源于上世紀(jì)末，發(fā)展成熟的幾類算法均對(duì)轉(zhuǎn)速范圍有要求，故在全速范圍應(yīng)用時(shí)主要采取復(fù)合控制的方式。未來(lái)交流電機(jī)無(wú)傳感器技術(shù)將會(huì)向著更廣的調(diào)速范圍、更強(qiáng)的魯棒性、更高的估算精度和更低的運(yùn)算成本等方向發(fā)展[4]。本文將對(duì)當(dāng)前主流控制方案的原理及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹并對(duì)相關(guān)的研究成果和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其矢量控制

1.1 永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介

永磁同步電機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)，當(dāng)其穩(wěn)定地進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換時(shí)，定子磁場(chǎng)會(huì)和轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)速保持嚴(yán)格的同步。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置可分為表貼式、嵌入式、內(nèi)埋（內(nèi)置）式，其中表貼式電機(jī)交、直軸電感相等，屬隱極式電機(jī)；嵌入式和內(nèi)埋式電機(jī)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性致其交、直軸電感不等，屬凸極式電機(jī)。結(jié)構(gòu)凸極性對(duì)電機(jī)的無(wú)傳感器控制有很大影響。永磁電機(jī)既不需要換向器及電刷也無(wú)需電勵(lì)磁裝置，體積小、重量輕，不會(huì)發(fā)生失磁、環(huán)火；功率密度、功率因數(shù)、效率高；采用封閉結(jié)構(gòu)使其齒輪噪音低、磨損小、冷卻簡(jiǎn)單。因此永磁同步電機(jī)在船舶推進(jìn)、航空航天、交通運(yùn)載、先進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)等效率、性能、安裝要求較高的場(chǎng)合中發(fā)展前景十分廣闊。

1.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

此外，PMSM轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程分別為

1.3 矢量控制

電機(jī)瞬態(tài)模型中的電壓、電流、磁鏈等均為空間矢量，可通過(guò)控制器對(duì)其相角和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而控制電機(jī)運(yùn)行。矢量控制最早源于Blaschke于1971年提出的磁場(chǎng)定向控制理論(FOC），通過(guò)坐標(biāo)變換的方式對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制進(jìn)行解耦。隨后日本學(xué)者A.Nabae提出了空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(SVPWM)通過(guò)逆變器控制空間電壓矢量的作用時(shí)間和切換順序，使電動(dòng)機(jī)獲得近似圓形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，動(dòng)態(tài)性能大幅提升。

2 各類PMSM無(wú)傳感器控制方法介紹

目前永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制方法主要分為基于電機(jī)基波模型的非自適應(yīng)算法和自適應(yīng)算法以及基于電機(jī)凸極模型的信號(hào)注入算法。

2.1 基于電機(jī)基波模型的非自適應(yīng)（開(kāi)環(huán)）算法

這類方法根據(jù)電機(jī)基波模型進(jìn)行開(kāi)環(huán)計(jì)算。在電機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確時(shí)響應(yīng)快，結(jié)果較為準(zhǔn)確。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)電機(jī)參數(shù)易變精度無(wú)法保證且低速時(shí)很難準(zhǔn)確測(cè)量定子反電勢(shì)。

2.1.1電流/電壓模型法

據(jù)式(1)和式(2)可知準(zhǔn)確測(cè)出電壓、電流、電阻、電感等參數(shù)即可算得轉(zhuǎn)子位置

該法原理簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，但計(jì)算用到了電流的微分且受溫度影響定子電感和電阻等參數(shù)不夠準(zhǔn)確，降低了精度和可靠性。為了提高估算精度，有學(xué)者提出了一種改進(jìn)電流模型法，根據(jù)每個(gè)采樣周期檢測(cè)到的電流實(shí)際值與估算值的誤差來(lái)修正轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置，甚至可在精度要求不高的場(chǎng)合克服低速問(wèn)題直接啟動(dòng)[5]。

2.1.2基于電感變化的估算方法

凸極電機(jī)的同步電感是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，可以通過(guò)檢測(cè)定子相電壓和相電流計(jì)算得到相電感值再查表獲取轉(zhuǎn)子位置。該法原理簡(jiǎn)單、易于計(jì)算，但收斂速度慢、精度低、僅適合凸極電機(jī)而且飽和效應(yīng)和參數(shù)變化都會(huì)影響電感值的獲取。

2.1.3反電勢(shì)法

1）反電勢(shì)積分法（磁鏈觀測(cè)法）：電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁鏈相對(duì)位置不變均按照同步速度旋轉(zhuǎn)，角度相差負(fù)載轉(zhuǎn)矩角。因此轉(zhuǎn)子位置可以根據(jù)定子磁鏈而確定，而定子磁鏈可利用定子電壓方程通過(guò)反電勢(shì)積分法來(lái)獲得[4]，即

2）擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法：磁鏈觀測(cè)法不適應(yīng)于凸極電機(jī)，為解決這一問(wèn)題，有學(xué)者提出了一種擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法，將凸極電機(jī)軸和軸上電感的直流分量和交流分量進(jìn)行解耦，并將后者加入到定子繞組的反電勢(shì)中形成擴(kuò)展反電勢(shì)，進(jìn)而估算轉(zhuǎn)子位置。通過(guò)引入擾動(dòng)觀測(cè)器可以抑制擴(kuò)展反電勢(shì)中的高次諧波[10]。

3）反電動(dòng)勢(shì)三次諧波法：利用磁路飽和效應(yīng)或在永磁體磁鏈上加入三次諧波分量，均可在定子繞組上產(chǎn)生含三次諧波分量的反電動(dòng)勢(shì)，利用三相電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)出反電勢(shì)信號(hào)并檢測(cè)其過(guò)零點(diǎn)可獲取轉(zhuǎn)子位置，也可以通過(guò)鎖相環(huán)對(duì)三次諧波信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置。

4）反電勢(shì)過(guò)零法：該法在無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制中應(yīng)用較多，通過(guò)懸空相端電壓與中性點(diǎn)電壓的比較得到反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)，確定換相時(shí)刻進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子位置角。若電樞電感太小，中點(diǎn)電壓難以獲取，反電勢(shì)信噪比也很低。

2.2 基于電機(jī)基波模型的自適應(yīng)（閉環(huán)）算法

上世紀(jì)末美國(guó)學(xué)者基于現(xiàn)代控制理論利用電機(jī)微分模型設(shè)計(jì)出了全階狀態(tài)觀測(cè)器和降階觀測(cè)器對(duì)包含轉(zhuǎn)子位置在內(nèi)的所有狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，精度較開(kāi)環(huán)大幅提高，系統(tǒng)的魯棒性也較強(qiáng)，但低速時(shí)反電勢(shì)信噪比仍很小且易受干擾。

2.2.1滑模觀測(cè)器法(SMO)

日本T.Furuhashi于1992年提出可將滑模變結(jié)構(gòu)應(yīng)用于狀態(tài)觀測(cè)器中對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行無(wú)傳感器控制，隨后被推廣到PMSM。系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能僅取決于滑模面自身，對(duì)外部變化不敏感，魯棒性很強(qiáng)。但滑模結(jié)構(gòu)因高頻變化的開(kāi)關(guān)特性存在抖振且低通濾波器(LPF)的引入會(huì)削減高頻分量并造成相移。其原理圖及推導(dǎo)過(guò)程如圖1：

圖1 SMO法原理圖

將電流誤差作為滑模切換面，由式(3)可知對(duì)表貼式電機(jī)而言有

2.2.2擴(kuò)展卡爾曼濾波器法(EKF)

卡爾曼濾波器是由美國(guó)R.E.Kalman于上世紀(jì)60年代提出的一種通過(guò)協(xié)方差矩陣來(lái)衡量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的關(guān)聯(lián)程度確定Kalman增益進(jìn)而對(duì)線性系統(tǒng)在最小方差意義上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)估計(jì)的遞歸濾波器，可以在含有噪聲的測(cè)量中對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。擴(kuò)展后的卡爾曼濾波器法可以對(duì)永磁同步電機(jī)等非線性系統(tǒng)的狀態(tài)變量進(jìn)行觀測(cè)。

非線性系統(tǒng)在考慮系統(tǒng)和測(cè)量噪聲時(shí)的數(shù)學(xué)模型為：

EKF法分為預(yù)測(cè)—計(jì)算（Kalman增益）-校正三個(gè)階段，即式(12)，(13)和(14)

EKF采用實(shí)時(shí)遞推形式將非線性系統(tǒng)線性化再濾波，最突出的優(yōu)勢(shì)是可以有效地削弱隨機(jī)干擾和測(cè)量噪聲，使輸出快隨地跟蹤實(shí)際狀態(tài)。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，EKF法成為PMSM無(wú)傳感器控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。大批學(xué)者對(duì)降低EKF法的運(yùn)算成本進(jìn)行了深入研究，如通過(guò)基于FPGA并行的EKF算法簡(jiǎn)化迭代過(guò)程[19]。值得注意的是，EKF法須選擇恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量，否則可能會(huì)在啟動(dòng)過(guò)程中收斂到錯(cuò)誤的結(jié)果[20]。

2.2.3模型參考自適應(yīng)法(MRAS)

該方法的控制系統(tǒng)一般包括參考模型、可調(diào)模型以及自適應(yīng)算法?？烧{(diào)模型中往往包含自適應(yīng)系統(tǒng)的待估計(jì)量。通常將參數(shù)確定的PMSM自身作為參考模型，將含有待估計(jì)量的電流或電壓模型作為可調(diào)模型。一般采用三相電壓為輸入量，交、直軸電流為輸出量，將兩者的輸出量相比較，通過(guò)自適應(yīng)算法不斷調(diào)整可調(diào)模型直至輸出相等。MRAS是基于Lyapunov穩(wěn)定性理論或Popov超穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)的閉環(huán)算法，在參數(shù)準(zhǔn)確的前提下精度較高、穩(wěn)定性好[22]。為提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，有學(xué)者采用基于STA的二階滑模觀測(cè)器取代傳統(tǒng)的PI控制器，性能更優(yōu)。

2.2.4基于智能控制的改進(jìn)閉環(huán)觀測(cè)法

智能控制理論的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、決策、容錯(cuò)、自適應(yīng)能力和魯棒性。針對(duì)非線性系統(tǒng)的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在電機(jī)無(wú)傳感器控制中應(yīng)用較多，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的參數(shù)辨識(shí)[23]和反電勢(shì)估算；將模糊控制與SMO或MRAS法相結(jié)合[24]；建立基于智能控制的觀測(cè)器等。

2.3 基于電機(jī)凸極模型的信號(hào)注入法

基于結(jié)構(gòu)凸極性或飽和凸極性的電機(jī)凸極模型是信號(hào)注入法的理論基礎(chǔ)，該法不依賴電機(jī)的參數(shù)和工況，對(duì)測(cè)量誤差也不敏感，解決了零低速無(wú)傳感器控制的難題；但對(duì)硬件檢測(cè)電路要求較高，估算時(shí)間長(zhǎng)，位置更新頻率低且高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，動(dòng)態(tài)性能差。由于船舶電推系統(tǒng)對(duì)低速性能要求不高，一般采用相對(duì)更簡(jiǎn)單的I/F控制快速啟動(dòng)，僅在某些特殊場(chǎng)合采用此類方法。

2.3.1高頻信號(hào)注入法

此類方法最早由美國(guó)Matthew J. Corley和R. D. Lorenz于1993年提出，該法通過(guò)注入特定頻率（0.2～2 kHz）的三相電壓或電流信號(hào)來(lái)人為地使電機(jī)產(chǎn)生不對(duì)稱的凸磁極，再檢測(cè)相應(yīng)的高頻響應(yīng)信號(hào)來(lái)獲取轉(zhuǎn)子的位置。注入頻率過(guò)高，會(huì)增加濾波難度，降低系統(tǒng)性能；注入頻率過(guò)低，會(huì)增加轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，產(chǎn)生噪聲。該法不依賴反電勢(shì)，解決了零、低速范圍無(wú)傳感器控制的難題。根據(jù)信號(hào)的類型可分為以下三類:

1)旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法:向靜止兩相坐標(biāo)系中注入高頻電壓并檢測(cè)電流響應(yīng)，經(jīng)帶通濾波器(BPF)濾波后提取含有轉(zhuǎn)子位置的電流負(fù)序分量來(lái)進(jìn)行估算，適合電壓源型逆變器。為解決采樣、計(jì)算、濾波、逆變器非線性、波形畸變等因素帶來(lái)的延時(shí)問(wèn)題，有學(xué)者提出了帶誤差補(bǔ)償?shù)男D(zhuǎn)高頻電壓注入法，提高了估算精度[25]。

2)旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法:與1)類似，將電壓信號(hào)改成電流信號(hào)并檢測(cè)電壓響應(yīng)，適合電流源型逆變器。

有學(xué)者通過(guò)注入脈振高頻方波信號(hào)[27]省去濾波環(huán)節(jié)，提高了轉(zhuǎn)子位置估算的帶寬，但使損耗增加?？紤]到磁場(chǎng)交叉飽和效應(yīng)，有學(xué)者提出注入變角度方波電壓[28]提升動(dòng)態(tài)性能；也有文獻(xiàn)采用雙陷波濾波器取代BPF級(jí)聯(lián)LPF[29]和利用二階全通濾波器進(jìn)行帶通濾波消除二次諧波[30]等方式提高估算精度。

2.3.2低頻注入法

2.3.3基于在線電抗測(cè)量的間接磁鏈檢測(cè)法(INFORM)

該法基于電機(jī)的凸極特性也被稱為在線脈沖法，是一種在線測(cè)量方式。通過(guò)向電機(jī)注入不同方向的電壓矢量并檢測(cè)相應(yīng)的電流響應(yīng)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和計(jì)算得到轉(zhuǎn)子位置角度的估計(jì)值。該法實(shí)現(xiàn)難度低但估算時(shí)間較長(zhǎng)且易引起相電流畸變和電機(jī)振動(dòng)，特殊的PWM方式對(duì)控制器和采樣電路的要求較高。

2.3.4載波頻率成分法(CFCM)

該法的高頻激勵(lì)信號(hào)為逆變器固有的載波頻率信號(hào)，逆變器通常采用三相三角波載波SPWM模式，通過(guò)對(duì)載波頻率成分電流信號(hào)的包絡(luò)線進(jìn)行處理或?qū)d波頻率成分電流信號(hào)進(jìn)行積分，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)且誤差在5°左右[31]，可以有效解決附加損耗、噪聲和集膚效應(yīng)等問(wèn)題。CFCM法既不需要注入特定的信號(hào)，也無(wú)需改變?cè)锌刂平Y(jié)構(gòu)，但受電機(jī)交、直軸電感比值影響大，對(duì)硬件檢測(cè)電路要求高，負(fù)載運(yùn)行時(shí)的誤差較空載時(shí)更大且僅適合凸極電機(jī)[32]。

3 轉(zhuǎn)子初始位置定位

確定轉(zhuǎn)子初始位置才能使電機(jī)獲得最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩保證船舶電推系統(tǒng)順利啟動(dòng)，較大的位置誤差可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)失敗甚至引起電機(jī)反轉(zhuǎn)。

閉環(huán)啟動(dòng)要求對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤且轉(zhuǎn)子啟動(dòng)前不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)凸極性是靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子位置定位的理論基礎(chǔ)。有學(xué)者利用交、直軸電感差異，提出電感矩陣計(jì)算法進(jìn)行定位；還有學(xué)者提出施加方向不同的等幅值電壓脈沖，根據(jù)定子電流最大值來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)電壓法[34]，該法不依賴參數(shù)，通過(guò)不斷均分預(yù)估扇區(qū)可提高精度，但電壓脈沖的幅值和時(shí)間需不斷修正，精度也受采樣的影響；之后又有學(xué)者在此基礎(chǔ)上改用六組等寬電壓脈沖[35]提高了精度；還有文獻(xiàn)提出雙脈沖法、電流激勵(lì)法、基于INFORM的五脈沖電壓注入法[4]等進(jìn)行位置辨識(shí)。此外，還有學(xué)者提出二次諧波法等基于高頻信號(hào)注入的方法，根據(jù)電流響應(yīng)或電感飽和引起的阻抗變化來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置并通過(guò)有限元計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證[36]。

開(kāi)環(huán)啟動(dòng)包括預(yù)定位、外同步加速、自同步運(yùn)行三個(gè)階段。這種方式操作簡(jiǎn)便，大大降低了控制的難度。但也存在諸多弊端，如很多場(chǎng)合不允許轉(zhuǎn)子隨意轉(zhuǎn)動(dòng)且預(yù)定位階段存在死區(qū)可能無(wú)法產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩；加速階段可能發(fā)生電機(jī)失步；整個(gè)定位過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)。有學(xué)者輪流施加三個(gè)互差120°的電壓矢量驅(qū)使轉(zhuǎn)子達(dá)到預(yù)定位置，使電壓矢量幅值下降，定位精度提高，死區(qū)范圍減小，可靠性增強(qiáng)[33]。船用電機(jī)負(fù)載一般為螺旋槳，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，啟動(dòng)時(shí)克服的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小且允許轉(zhuǎn)子小范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，故可以采取開(kāi)環(huán)啟動(dòng)的方式簡(jiǎn)化控制算法。

4 全速范圍復(fù)合控制

目前還很難得到一種全速范圍的高性能PMSM無(wú)傳感器控制方法，故通常選擇復(fù)合控制的方式。船舶電推系統(tǒng)對(duì)零低速區(qū)精度要求不高，一般可采用I/F控制，即轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)、電流閉環(huán)的方式直接啟動(dòng)[38]，若對(duì)零低速區(qū)精度要求較高，常用高頻電壓注入法；中高速范圍選用SMO、EKF、MRAS、Back EMF等方法。不同方案間需要平滑切換，確保切換區(qū)間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及電流不出現(xiàn)大的脈動(dòng)。

有學(xué)者提出在切換時(shí)逐漸減小電流幅值的方法[39]，根據(jù)轉(zhuǎn)矩—功角自平衡，電機(jī)為達(dá)到新的轉(zhuǎn)矩平衡，指令電流矢量與d軸的夾角會(huì)趨于零，這時(shí)再將中高速方案估算的位置信號(hào)切入；也有學(xué)者提出對(duì)兩種方案的估算角度通過(guò)線性加權(quán)[40]或引入滯環(huán)[41]的方式切換；還有學(xué)者利用高頻信號(hào)注入法構(gòu)建誤差項(xiàng)對(duì)觀測(cè)器進(jìn)行校正，將前者較高的穩(wěn)態(tài)精度與后者較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相結(jié)合。

5 總結(jié)

1)將PMSM無(wú)傳感器控制技術(shù)應(yīng)用在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，可以避免機(jī)械位置傳感器發(fā)生故障時(shí)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩等出現(xiàn)較大的脈動(dòng)。但實(shí)際應(yīng)用中需要精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、魯棒性和可靠性強(qiáng)的算法作為保障。

2)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)零低速性能要求不高，可利用I/F控制開(kāi)環(huán)啟動(dòng)簡(jiǎn)化無(wú)傳感器控制算法；在某些對(duì)零低速較高的特殊場(chǎng)合，則可選用精度更高的信號(hào)注入方法，但高頻激勵(lì)會(huì)增加損耗、降低逆變器電壓利用率，還要處理復(fù)雜數(shù)字的信號(hào)，需要更優(yōu)的信號(hào)處理算法來(lái)減少相位延遲和分離高頻響應(yīng)，提高估算精度。

3)對(duì)于中高速段的無(wú)傳感器控制，采用各種基于電機(jī)基波模型的觀測(cè)器的閉環(huán)算法因精度高、魯棒性強(qiáng)成為主流，更強(qiáng)的自適應(yīng)能力和更低的參數(shù)依賴性是其發(fā)展趨勢(shì)；開(kāi)環(huán)算法雖然受參數(shù)影響精度不高，但其計(jì)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速仍有一定的改進(jìn)空間和使用價(jià)值。

4)全速范圍復(fù)合控制需要可靠的銜接策略使切換過(guò)程平滑，避免電流、轉(zhuǎn)矩等出現(xiàn)較大脈動(dòng)。

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Overview of Application of Sensorless Control of PMSM in Electric Propulsion

Deng Zhihao, Li Zhengguang, Zhu Houquan, Zhan Yusheng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM341

A

1003-4862（2021）07-0049-07

2021-03-31

鄧智浩(1997-)，碩士。研究方向：永磁同步電機(jī)控制。E-mail：1103642225@qq.com