趙偉 黃文娟

摘 要：永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）由于其高轉(zhuǎn)矩性能，在要求良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中通常是首選。本文以PMSM無(wú)傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為研究對(duì)象，首先對(duì)PMSM矢量控制技術(shù)和無(wú)傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述，然后再分析無(wú)傳感器控制技術(shù)在PMSM矢量控制系統(tǒng)當(dāng)中的發(fā)展與應(yīng)用，給出了當(dāng)前已獲得應(yīng)用的一些控制方法及建議。

關(guān)鍵詞：無(wú)傳感器控制；永磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)矩能力、效率高和免費(fèi)維護(hù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)床、航天等要求高性能以及良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用[1]。在外部干擾和系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)所安裝的傳感器獲得的速度和/或位置信號(hào)不僅取決于系統(tǒng)響應(yīng)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(zhuǎn)而開(kāi)始關(guān)注無(wú)傳感器控制技術(shù)，期望能夠克服現(xiàn)有硬件傳感器所帶來(lái)的不便，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)性能的提升。文章對(duì)無(wú)傳感器技術(shù)在PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述。

1 矢量控制（VR）系統(tǒng)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制理論是將交流電機(jī)模型經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換（ park變換、Clark變換）得到直流電機(jī)模型。同時(shí)將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)模型的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，這樣就實(shí)現(xiàn)了使用直流電機(jī)的控制方式來(lái)控制交流電機(jī)的目的。根據(jù)用途不同，則PMSM所選用的控制策略也不盡相同，例如直接轉(zhuǎn)矩控制（Id = 0控制）；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制；最大輸出功率控制等。采用高速電動(dòng)機(jī)控制專用DSP、嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)，使變頻器獲得高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過(guò)載能力，這是現(xiàn)代永磁同步電機(jī)矢量控制的發(fā)展趨勢(shì)。

2 無(wú)傳感器技術(shù)的概述

無(wú)傳感器控制技術(shù)[2]指拋開(kāi)傳統(tǒng)的在電機(jī)中安裝傳感器的做法，利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)檢測(cè)易于測(cè)量的電機(jī)的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于PMSM的矢量控制。近年來(lái)該技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多行之有效的控制策略，不但提高了可靠性、穩(wěn)定性，并應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)中去。

3 無(wú)位置傳感器技術(shù)的發(fā)展

隨著高速DSP芯片技術(shù)的的發(fā)展，使得PMSM的無(wú)傳感器控制技術(shù)已經(jīng)從理論研究進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段成為了可能。目前無(wú)傳感器技術(shù)的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)電機(jī)電氣參數(shù)的檢測(cè)無(wú)法計(jì)算出轉(zhuǎn)子的實(shí)際初始位置，只有在電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后，估計(jì)值才能跟上實(shí)際值，這是它相比于實(shí)際傳感器的一個(gè)必須要解決的問(wèn)題。此外，應(yīng)用無(wú)傳感技術(shù)的電機(jī)系統(tǒng)，啟動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)還存在有一些亟待解決的問(wèn)題。

4 無(wú)位置傳感器技術(shù)的控制策略

上文已經(jīng)對(duì)PMSM矢量控制理論、無(wú)傳感器技術(shù)及其發(fā)展進(jìn)行了介紹與分析。永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制策略主要有以下幾種[3-5]：

（1）直接計(jì)算法

利用PMSM的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，就求得轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速與位置。該算法易于受到電機(jī)參數(shù)變化的影響，應(yīng)用較少。

（2）自適應(yīng)觀測(cè)器

自適應(yīng)觀測(cè)器主要是采用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)估計(jì)電機(jī)的狀態(tài)，并且該估計(jì)狀態(tài)要不斷連續(xù)的通過(guò)反饋校正方式進(jìn)行校正，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

（3）高頻注入方法

這種方法只能用于凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)（IPMSM），它是利用了該電機(jī)的凸極效應(yīng)與轉(zhuǎn)子位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)取得轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。具體有脈動(dòng)高頻電壓信號(hào)注入法和旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法兩類。

（4）卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波是針對(duì)線性系統(tǒng)而提出來(lái)的，PMSM的數(shù)學(xué)模型具有較強(qiáng)的非線性，不能直接應(yīng)用該方法。常用的方法是將該模型線性化，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，通過(guò)測(cè)量電機(jī)的電信號(hào)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子速度與轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。該算法在電機(jī)額定速度運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)較大誤差，而且在低速負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)不能有效估計(jì)，計(jì)算量大也是其主要缺點(diǎn)。

（5）基于人工智能的無(wú)傳感器控制方法

將人工智能應(yīng)該到無(wú)傳感器控制中最常用的技術(shù)就是模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，它們不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，并且可被應(yīng)用于非線性系統(tǒng)。

（6）滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器

滑模變結(jié)構(gòu)觀測(cè)器主要是用于定子磁通估計(jì)，觀測(cè)器在低速使用電壓-電流組合模型，而在高速時(shí)切換成電壓模型。旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入方案用于獲得低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子位置。此外，轉(zhuǎn)子速度是通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整算法利用所估計(jì)定子磁通速度來(lái)進(jìn)行估計(jì)。該方法對(duì)于電機(jī)參數(shù)變化具有很好的魯棒性，而抖動(dòng)現(xiàn)象則是其主要缺點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，各種無(wú)傳感器控制技術(shù)在應(yīng)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)中高速運(yùn)行時(shí)都具有較好的控制效果，而對(duì)于低速運(yùn)行則不盡如人意，存在著各種問(wèn)題，尤其是啟動(dòng)問(wèn)題，這都待進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：唐山市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（13110207b）