廖自力，解建一，袁 東，趙其進(jìn)

(陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系， 北京 100072)

隨著軍事技術(shù)的迭代變革，未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)形式多樣，將是陸、海、空、天一體化聯(lián)合作戰(zhàn)。對(duì)于陸戰(zhàn)裝備而言，應(yīng)具備精確的打擊能力、快速的突擊能力、高效的防護(hù)能力以及未來(lái)的無(wú)人戰(zhàn)斗能力[1]。面對(duì)新一輪軍事變革的需求，集電驅(qū)動(dòng)、電武器、電防護(hù)、綜合信息作戰(zhàn)能力于一體的全電化裝甲車輛成為世界各國(guó)陸戰(zhàn)裝備研究的熱點(diǎn)[2-4]。作為全電化裝甲車輛的核心，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相較以往傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器直接傳遞給履帶或車輪，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、維修簡(jiǎn)便、高效等優(yōu)點(diǎn)[5]。

電機(jī)作為電傳動(dòng)裝甲車輛的直接動(dòng)力來(lái)源，其品質(zhì)好壞直接影響車輛的性能。針對(duì)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中國(guó)工程院院士、海軍工程大學(xué)馬偉明教授提出“高可靠性、高精度、高功率密度、高適應(yīng)性、低排放、多功能復(fù)合”的應(yīng)用需求[6]，為電機(jī)系統(tǒng)高品質(zhì)運(yùn)行性能指明了發(fā)展方向。近些年，軍用車輛輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究得到廣泛關(guān)注，輪轂電機(jī)獨(dú)特的布置方式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)提升軍用車輛的綜合性能有顯著的作用，主要表現(xiàn)在：每一個(gè)電動(dòng)輪都是獨(dú)立可控的驅(qū)動(dòng)單元，當(dāng)個(gè)別電動(dòng)輪發(fā)生故障時(shí)，其他電動(dòng)輪仍能驅(qū)動(dòng)車輛行駛，保持機(jī)動(dòng)能力，這有效提升了戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，對(duì)戰(zhàn)斗車輛尤為重要；同時(shí)，相比于機(jī)械轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)可以更容易實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向和全輪轉(zhuǎn)向，極端情況下，利用電機(jī)的反轉(zhuǎn)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)類似履帶車輛的滑差轉(zhuǎn)向，甚至原地轉(zhuǎn)向，這有效提高了車輛的轉(zhuǎn)向性能；另外，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置后，電機(jī)通過輪邊減速器與車輪相連，縮短了動(dòng)力傳輸路徑，有效提升了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率?；诖耍鄠€(gè)國(guó)家已將輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛作為新一代軍用車輛的重要發(fā)展方向之一[7-8]。

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩慣量比大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[9]，在大功率交流傳動(dòng)領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著近些年永磁材料性能的不斷提高、電力電子技術(shù)以及控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已成為裝甲車輛輪轂電機(jī)的最佳選擇。PMSM的高性能控制依賴于對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精確測(cè)量，測(cè)量方式通常是使用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械式傳感器[10]，然而機(jī)械式傳感器的應(yīng)用導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生諸多問題：安裝高精度、高響應(yīng)的傳感器成本較高，成本不局限于傳感器的價(jià)格，還包括隱蔽良好的接線以及插頭、可靠的機(jī)械安裝及保護(hù)等；部分傳感器的安裝可能引發(fā)同心度問題[11-12]，與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)偏差；傳感器的使用增加了系統(tǒng)的控制接口和接線，系統(tǒng)容易受到外部機(jī)械環(huán)境及電磁環(huán)境的干擾，可靠性降低；傳感器體積和質(zhì)量較大，降低了系統(tǒng)的功率密度[13-14]。綜合上述諸多缺點(diǎn)，必須考慮一種合理的方案改善或取代機(jī)械式傳感器，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，世界各國(guó)對(duì)電機(jī)無(wú)位置傳感器的研究便一直沒有停止過，特別是近些年，更是成為電機(jī)及其控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

無(wú)位置傳感器的研究最先開始于感應(yīng)電機(jī)，1975年A.Abbondanti等[15]推導(dǎo)出依賴于穩(wěn)態(tài)方程的轉(zhuǎn)差頻率估計(jì)方法，雖然辨識(shí)度不夠精確而且調(diào)速范圍小，但開啟了無(wú)傳感器研究的先河；1979年，M.Ishida等[16]通過對(duì)轉(zhuǎn)子齒諧波的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速辨識(shí)，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)控制芯片能力有限，只在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)達(dá)到預(yù)期的效果；1983年，R.Joetten[17]最先在矢量控制中運(yùn)用無(wú)傳感器控制方法并產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，直到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外都還有許多學(xué)者將研究重心放在基于矢量控制的無(wú)傳感器控制中，相繼取得了可人的成果；1985年，德國(guó)大電機(jī)研究所學(xué)者運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼濾波器方法進(jìn)行速度辨識(shí)，得到比較好的效果；1986年，日本學(xué)者T.Furuhashi[18]提出了滑模觀測(cè)器法，該算法基于滑模觀測(cè)器理論，構(gòu)造了滑模平面，利用定子電流誤差，重構(gòu)電機(jī)反電勢(shì)，進(jìn)而估算轉(zhuǎn)子位置；1993年，美國(guó)M.J.Coney和R.D.Lorenz教授[19]提出了高頻信號(hào)注入法，并用于PMSM調(diào)速研究，引起了各界學(xué)者廣泛關(guān)注；2002年芬蘭學(xué)者VM.Leppanen和JormaLuomi等[20]采用低頻信號(hào)注入的方法，并將其成功應(yīng)用于隱極式PMSM，顯著提升了低速辨識(shí)精度；2003年韓國(guó)教授S.K.Sul等[21]提出了脈振高頻電壓注入法，在d軸方向注入高頻電壓，促進(jìn)d軸磁路飽和，激發(fā)出PMSM的飽和凸極特性并加以追蹤實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)；2004年，英國(guó)拉夫堡大學(xué)的陳文華教授[22]提出設(shè)計(jì)一種特殊的擾動(dòng)觀測(cè)器模型的方法，借助中間變量的變換，省去了對(duì)狀態(tài)變量的微分運(yùn)算過程，有效降低了系統(tǒng)對(duì)噪聲信號(hào)的敏感度；2010年，Gilbert等[23]采用自適應(yīng)滑模觀測(cè)器，低速階段利用其他方法來(lái)修正估計(jì)值以改善低速時(shí)的性能，從而實(shí)現(xiàn)在全速度范圍內(nèi)的控制；2012年，Villet W.T.等[24]通過滯環(huán)控制綜合了高頻注入法與模型法，克服了復(fù)雜度較高、切換過程會(huì)出現(xiàn)電流尖峰等困難后，大致實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器的全速度范圍運(yùn)行；Hieu N.T等[25]將高頻脈振信號(hào)注入法與滑模觀測(cè)器相結(jié)合，在兩者策略切換過程利用線性加權(quán)函數(shù)來(lái)過渡。2014年，Park N等[26]提出一種簡(jiǎn)化的方波注入法信號(hào)處理方法，但忽略了位置跟蹤器對(duì)PMSM無(wú)位置傳感器控制性能的影響，這有待進(jìn)一步改進(jìn)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)無(wú)位置傳感器控制的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展飛速。國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者在廣泛學(xué)習(xí)國(guó)外研究技術(shù)的同時(shí)，深入思考，在近些年針對(duì)不同交流電機(jī)提出許多無(wú)位置傳感器控制方法，目前國(guó)內(nèi)無(wú)位置傳感器控制取得了較好進(jìn)展。文獻(xiàn)[27]提出了一種PMSM無(wú)位置傳感器啟動(dòng)方法，基于雙dq空間，來(lái)完成電流頻率比控制與磁鏈估計(jì)法的過渡切換；文獻(xiàn)[28]對(duì)高頻信號(hào)注入法深入研究分析，并將該方法分類為傳統(tǒng)的高頻正弦波注入法、改進(jìn)的高頻正弦波注入法和高頻非正弦波注入法三類，3種方法中的實(shí)施方案文中都詳細(xì)進(jìn)行了介紹，對(duì)三種方法進(jìn)行了對(duì)比分析，并指明各個(gè)方案的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[29]提出一種新型的轉(zhuǎn)子位置角觀測(cè)器，在轉(zhuǎn)子回路注入高頻脈動(dòng)電流，利用電磁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)將同頻率的高頻脈動(dòng)分量注入電磁轉(zhuǎn)矩中，基于鎖相環(huán)原理觀測(cè)出轉(zhuǎn)子位置角，據(jù)此實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制電勵(lì)磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在零轉(zhuǎn)速及低轉(zhuǎn)速時(shí)無(wú)位置傳感器運(yùn)行；文獻(xiàn)[30]選取三相PMSM，在推導(dǎo)包含轉(zhuǎn)速變量的三階系統(tǒng)狀態(tài)方程后，得出基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的動(dòng)子速度估計(jì)值，并提出一種低階串行的雙擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，較好地提高了狀態(tài)估計(jì)精度；文獻(xiàn)[31]結(jié)合滑模觀測(cè)器及模型自適應(yīng)兩種方法特點(diǎn)，提出一種滑模參考自適應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)器，有效提高定子電流的波形質(zhì)量，精確估計(jì)出PMSM轉(zhuǎn)子位置和速度，且魯棒性好；文獻(xiàn)[32]基于標(biāo)幺化位置誤差信息融合，提出一種單龍貝格位置觀測(cè)器的復(fù)合控制方法，將方波電壓注入法和反電動(dòng)勢(shì)模型法分別用于零、低速和中高速階段，以此獲得標(biāo)幺化位置誤差信號(hào)，在速度過渡區(qū)內(nèi)，將速度信息對(duì)標(biāo)幺化位置誤差信號(hào)進(jìn)行加權(quán)融合，利用單龍貝格位置觀測(cè)器對(duì)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。文獻(xiàn)[33]提出基于雙重鎖相環(huán)的新型反電動(dòng)勢(shì)滑模觀測(cè)器方案，通過主動(dòng)引入非理想環(huán)節(jié)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行延遲重構(gòu)，將重構(gòu)電流信號(hào)與估計(jì)位置信號(hào)進(jìn)行二次鎖相，構(gòu)成雙重鎖相環(huán)，有效補(bǔ)償了相位估計(jì)誤差。文獻(xiàn)[34]提出一種直接基于反電動(dòng)勢(shì)諧波閉環(huán)控制的綜合諧波抑制策略，通過設(shè)計(jì)高階滑模觀測(cè)器，有效抑制了滑模抖振問題，能夠避免低通濾波器環(huán)節(jié)，從而提升電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)準(zhǔn)確性。

無(wú)位置傳感器控制技術(shù)在近些年一直是交流電機(jī)及其控制領(lǐng)域的重要研究熱點(diǎn)，在近些年已經(jīng)取得了較好進(jìn)展，但是對(duì)于性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，譬如陸戰(zhàn)裝備全電化裝甲車輛而言，無(wú)位置傳感器技術(shù)還有待于進(jìn)一步完善，值得更進(jìn)一步深入研究。

2 基于軍用車輛的無(wú)位置傳感器控制需求分析

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，交流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)不同交流電機(jī)類型及控制方式提出了許多控制策略，目前交流電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)已取得良好的進(jìn)展。但對(duì)于裝甲車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，需要具備低速大扭矩啟動(dòng)、過載能力強(qiáng)、調(diào)速范圍寬以及良好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)性能[35]，要求性能較高，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)有待于進(jìn)一步研究；同時(shí)，從目前的研究來(lái)看，單一的無(wú)傳感器控制策略作用速度區(qū)間有限，不能滿足在全速度范圍內(nèi)的高性能控制，需要在零、低速及中高速分別進(jìn)行控制，然后設(shè)計(jì)合理的算法完成速度區(qū)間的切換，使電機(jī)能夠在全速度范圍實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器可靠運(yùn)行[28，36-37]；目前，對(duì)于PMSM全速度范圍內(nèi)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)研究的較多，甚至已在高鐵實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制無(wú)故障運(yùn)行，但地方車輛與部隊(duì)裝甲車輛有著很大區(qū)別。地方上無(wú)位置傳感器控制策略設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過試驗(yàn)階段的測(cè)試，無(wú)誤即可列裝，所用設(shè)備也無(wú)需再加裝傳感器。而對(duì)于部隊(duì)而言，裝備的可靠性是第一位的，戰(zhàn)場(chǎng)上更是如此，未來(lái)實(shí)際情況中無(wú)位置傳感器控制更有可能作為全電化裝甲車輛機(jī)械式位置傳感器的備用方案，如圖1所示，即建立正常行駛-故障檢測(cè)-狀態(tài)切換的工作流程。在位置傳感器正常工作時(shí)，無(wú)位置傳感器控制算法同步運(yùn)行，得到的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值與位置傳感器測(cè)得的實(shí)際值不斷對(duì)比優(yōu)化，使得估計(jì)結(jié)果趨于最優(yōu)；當(dāng)位置傳感器受戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)位置傳感器的預(yù)先故障辨識(shí)及控制狀態(tài)的切換，使無(wú)位置傳感器控制能夠階段性的取代位置傳感器，維持車輛的基本行駛，這是極其有意義的。

圖1 自適應(yīng)容錯(cuò)控制方案工作流程框圖

3 軍用車輛無(wú)位置傳感器控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無(wú)位置傳感器控制方法

當(dāng)前，常用的無(wú)位置傳感器控制方法主要有兩類，如圖2所示。第一類是基于定子基波反電動(dòng)勢(shì)，另一類是基于電機(jī)凸極性。其中，基于反電動(dòng)勢(shì)的方法主要用于電機(jī)在中、高速運(yùn)行時(shí)的位置和速度辨識(shí)，包括滑模觀測(cè)器法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法、模型參考自適應(yīng)法等。由于反電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速升高而增大，在低速時(shí)反電動(dòng)勢(shì)很小，基波模型中的有效信息容易受到其他參數(shù)和測(cè)量噪聲的影響，位置信息提取困難，這類辨識(shí)方法不再適用；基于電機(jī)凸極性的方法不依賴于電機(jī)的基波方程，在低速階段有著較好的辨識(shí)效果，這類方法一般通過電機(jī)定子側(cè)注入附加的激勵(lì)信號(hào)，依靠電機(jī)的凸極性將含有轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)反映在電機(jī)的端電壓或電流中，據(jù)此提取出相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)后，再通過位置觀測(cè)器便能夠獲取轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，常用的注入法包括旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法、脈振高頻電壓注入法以及脈振方波電壓注入法。但隨著轉(zhuǎn)速的升高，基波頻率與高頻注入信號(hào)逐漸接近，高頻諧波也隨之增加，對(duì)高頻信號(hào)的提取和處理變得十分困難，這類方法也不適用于電機(jī)高速階段。因此可以看出：需要采用不同的算法來(lái)對(duì)不同速度區(qū)間的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行辨識(shí)，最后還需要采用合理的切換算法實(shí)現(xiàn)全速度范圍內(nèi)的復(fù)合控制，目前切換算法主要有變權(quán)重加權(quán)控制法、基于滯環(huán)控制的切換方法、基于鎖相環(huán)的位置信號(hào)切換方法[28，36-37]。

圖2 無(wú)位置傳感器常用控制方法分類框圖

下面分別對(duì)不同速度區(qū)間的位置辨識(shí)算法及全速度范圍內(nèi)復(fù)合控制的典型方法進(jìn)行介紹。

3.1.1零、低速無(wú)位置傳感器控制方法

這類方法基于電機(jī)凸極性，主要用于電機(jī)在零、低速運(yùn)行時(shí)的位置和速度辨識(shí)，常用的方法主要有以下幾種[28]：

1) 旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法。旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法對(duì)電機(jī)凸極率要求較高，其原理是將平衡的三相高頻電壓激勵(lì)信號(hào)注入電機(jī)的兩相靜止坐標(biāo)系中，檢測(cè)電機(jī)定子端所對(duì)應(yīng)的高頻電流響應(yīng)，響應(yīng)電流的負(fù)序分量中包含著轉(zhuǎn)子位置，通過解耦位置誤差信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的觀測(cè)。但該方法也存在一些不足，首先是注入的旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)會(huì)造成q軸電流中出現(xiàn)脈動(dòng)分量，導(dǎo)致電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定性受到影響。此外，提取負(fù)序分量過程中通常需要依靠同步軸系高通濾波器除去正相序的電流分量，這在一定程度上又增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

2) 脈振高頻電壓注入法。與旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法不同，脈振高頻注入法只需在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸注入高頻信號(hào)，若將其映射在兩相靜止坐標(biāo)系中，該注入信號(hào)是基頻旋轉(zhuǎn)向量和高頻脈振向量的結(jié)合。脈振高頻電壓注入法同樣可以通過檢測(cè)電流信號(hào)辨識(shí)出轉(zhuǎn)子位置，該方法僅在d軸注入信號(hào)，q軸中的電流脈動(dòng)很小，由此帶來(lái)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和高頻損耗相對(duì)較低，在信號(hào)提取中也不需要額外的高通濾波器，只需要與注入信號(hào)同頻率的調(diào)制信號(hào)相乘就能解調(diào)出轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)便。不足之處是該方法對(duì)觀測(cè)器中PI參數(shù)較為敏感，參數(shù)整定比較復(fù)雜。對(duì)于隱極式PMSM，受磁性材料的影響，一般具有飽和凸極效應(yīng)，可能造成d、q軸電感值的差異，有時(shí)也可用脈振電壓注入法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的辨識(shí)。

3) 脈振方波電壓注入法。方波注入法也是在d軸注入激勵(lì)信號(hào)，這點(diǎn)與脈振高頻電壓注入法相似，只是其信號(hào)類型為高頻方波。方波注入法的注入信號(hào)可以采用較高頻率，甚至能夠達(dá)到逆變器的最大開關(guān)頻率，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，并且有助于削弱高頻噪聲，有著較好的發(fā)展空間。

其他的方法還有載波頻率法以及低頻信號(hào)注入法。其中，載波頻率法實(shí)際中對(duì)硬件的要求較高，推廣至實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用較困難；低頻信號(hào)注入法其信號(hào)波處于低頻，對(duì)電機(jī)實(shí)際控制產(chǎn)生干擾，因此其動(dòng)態(tài)性能不理想。

3.1.2中、高速無(wú)位置傳感器控制方法

這類方法基于定子基波反電動(dòng)勢(shì)，主要用于電機(jī)在中、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的位置和速度辨識(shí)，常用的方法主要有以下幾種[36-37]：

1) 滑模觀測(cè)器法?；Ｓ^測(cè)器法利用滑動(dòng)模態(tài)原理設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)，即滑模面，使其作為系統(tǒng)期望運(yùn)行的軌跡，當(dāng)變量在滑模面兩側(cè)運(yùn)行時(shí)，通過高頻率切換開關(guān)極性，使得狀態(tài)變量沿著滑模面作高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，直到到達(dá)平衡點(diǎn)。在PMSM轉(zhuǎn)速和位置辨識(shí)系統(tǒng)中，滑模觀測(cè)器的設(shè)計(jì)通常依據(jù)電流狀態(tài)方程，切換函數(shù)主要有飽和函數(shù)、S形函數(shù)或者符號(hào)函數(shù)，切換函數(shù)的輸出經(jīng)過低通濾波器可以得到反電動(dòng)勢(shì)波形，進(jìn)而直接計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速?；Ｓ^測(cè)器法對(duì)外部擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，因此具有較好的魯棒性，但其開關(guān)過程不可避免帶來(lái)抖振問題，如何實(shí)現(xiàn)良好去抖是提高控制性能的關(guān)鍵。

2) 擴(kuò)展卡爾曼濾波法。擴(kuò)展卡爾曼濾波法是一種非線性的估計(jì)算法，其將非線性的系統(tǒng)線性化，再通過卡爾曼濾波遞推實(shí)現(xiàn)對(duì)待辨識(shí)信號(hào)的觀測(cè)，因其通過非線性狀態(tài)方程可以將系統(tǒng)誤差和隨機(jī)噪聲考慮在內(nèi)，并且在迭代過程中用計(jì)算得到的反饋值不斷校正估計(jì)值，因此能夠抑制各種隨機(jī)擾動(dòng)，魯棒性較好，同時(shí)具有良好的自適應(yīng)能力，在電機(jī)運(yùn)行的中、高速段能獲得較好的轉(zhuǎn)速和位置辨識(shí)效果。不足之處是該算法遞歸迭代時(shí)需要大量矩陣運(yùn)算，過程復(fù)雜且需要高性能的數(shù)字處理器，如果能夠通過算法簡(jiǎn)化迭代過程將大大提高該方法的實(shí)用性。

3) 模型參考自適應(yīng)法。模型參考自適應(yīng)法用于參數(shù)辨識(shí)一般包括3個(gè)主要步驟：確定參考模型和可調(diào)模型、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、求解自適應(yīng)律。在PMSM速度辨識(shí)中，參考模型一般為電機(jī)本體，可調(diào)模型為其電流模型，其中電流模型中包含有轉(zhuǎn)速信號(hào)。參考模型和可調(diào)模型同時(shí)運(yùn)行，將兩者輸出的值作差，并以此差值構(gòu)建自適應(yīng)律，對(duì)可調(diào)模型中的待辨識(shí)參數(shù)(轉(zhuǎn)子的電角速度)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使兩個(gè)模型的輸出量趨于一致，此時(shí)估計(jì)的角速度信號(hào)也趨近于實(shí)際信號(hào)，將估計(jì)的角速度求取積分，便可以得到轉(zhuǎn)子位置。在系統(tǒng)穩(wěn)定性分析及確定自適應(yīng)律中，常用的方法有李雅普諾夫理論、波波夫超穩(wěn)定性理論、局部參數(shù)最優(yōu)理論等。

此外，其他基于反電動(dòng)勢(shì)的方法還有磁鏈開環(huán)計(jì)算法、自抗擾控制算法、狀態(tài)觀測(cè)器法等。但上述基于電機(jī)模型的位置辨識(shí)算法一般都存在以下不足：依賴于電機(jī)的模型，因此電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電阻、電感及磁鏈等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化均會(huì)對(duì)辨識(shí)精度產(chǎn)生影響。

3.1.3不同速度區(qū)間的速度切換方法

在零、低速及中、高速時(shí)分別采用兩種控制方法，在兩種辨識(shí)算法切換時(shí)會(huì)涉及轉(zhuǎn)速及位置角轉(zhuǎn)換的問題。目前常用的切換方法有以下兩種：

1) 變權(quán)重加權(quán)控制法。如圖3所示，變權(quán)重加權(quán)控制基于選中的高、低速控制方法，將兩種方法估算出的轉(zhuǎn)子位置與速度用變權(quán)重的加權(quán)控制法進(jìn)行復(fù)合，獲得臨界區(qū)間估計(jì)的轉(zhuǎn)速及位置估計(jì)值，控制的關(guān)鍵在于加權(quán)因子α的選定。

圖3 無(wú)位置傳感器常用控制方法示意圖

2) 基于滯環(huán)控制的切換方法。滯環(huán)控制[38]應(yīng)用于不同速度區(qū)間的切換時(shí)，在低速下的換相策略保證電機(jī)的正常換相，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，電機(jī)通過滯環(huán)切換，切換至增加相位的換相補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)換相。此法能夠避免電機(jī)位置控制策略在一定轉(zhuǎn)速頻繁切換，起到保護(hù)電機(jī)的作用，但需注意滯環(huán)切換點(diǎn)和環(huán)寬的選取。

此外，還有基于鎖相環(huán)的位置信號(hào)切換方法、標(biāo)幺化位置誤差信息融合的單龍貝格位置觀測(cè)器的復(fù)合控制方法等。但上述方法普遍存在以下不足：切換過程涉及轉(zhuǎn)速和位置角的轉(zhuǎn)換，需要在全速度范圍內(nèi)同時(shí)運(yùn)行兩種算法以保證切換時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此過多占用了控制系統(tǒng)的軟硬件資源。

3.2 位置傳感器故障檢測(cè)

PMSM的高性能控制依賴于對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精確測(cè)量，測(cè)量方式通常是使用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾傳感器等機(jī)械式位置傳感器。旋轉(zhuǎn)變壓器由于抗沖擊、抗振動(dòng)及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在全電化裝甲車輛中得到廣泛使用，旋轉(zhuǎn)變壓器定子勵(lì)磁繞組所在的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子正、余弦輸出繞組中感應(yīng)出包含電機(jī)轉(zhuǎn)軸絕對(duì)位置信息的正、余弦電壓信號(hào)，再通過專用解調(diào)芯片即可得到轉(zhuǎn)子位置信息。

考慮全電化裝甲車輛通常行駛在大起伏、高溫差、多灰塵的環(huán)境下，加之旋轉(zhuǎn)變壓器存在加工及安裝誤差，旋轉(zhuǎn)變壓器發(fā)生故障幾率增加，通常是正、余弦繞組輸出出現(xiàn)幅值不平衡和正交不完善故障，進(jìn)而導(dǎo)致獲取的轉(zhuǎn)子位置信息有所偏差，引發(fā)輪轂電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速出現(xiàn)振蕩，甚至危及輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，致使車輛無(wú)法行駛[39-40]。因此研究位置傳感器故障預(yù)先診斷提示對(duì)于車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行有著極大意義。

常見的位置傳感器故障診斷方法有以下幾種：

1) 閾值檢測(cè)法[41-42]，通過附加處理單元讀取傳感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)，通過邏輯診斷進(jìn)行設(shè)定閾值檢測(cè)，診斷結(jié)果準(zhǔn)確迅速。但需要診斷邏輯實(shí)時(shí)運(yùn)行，這無(wú)疑會(huì)占用運(yùn)算資源，且附加的處理單元會(huì)造成硬件冗余，加大診斷難度；

2) 模型診斷法[43-44]，通過對(duì)被監(jiān)測(cè)的部件運(yùn)行過程建立模型，將模型輸出與被監(jiān)測(cè)部件輸出對(duì)比進(jìn)行診斷?？梢赃x擇測(cè)試輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)某一電機(jī)振蕩失穩(wěn)，與其他電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生明顯差異時(shí)，該輪轂電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器極大可能出現(xiàn)損壞。此法對(duì)模型精度要求高，僅線性模型診斷性能往往不足，比如該處電機(jī)振蕩存在不是傳感器故障的可能性；

3) 信號(hào)分析法，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器因正交不完善、幅值不平衡發(fā)生故障時(shí)，定子q軸電流因傳感器故障會(huì)產(chǎn)生二倍頻脈動(dòng)分量，通過監(jiān)控、計(jì)算，檢測(cè)出定子q軸電流出現(xiàn)振蕩時(shí)，該輪轂電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器同樣可能損壞[45]。此法計(jì)算量較大。

目前，位置傳感器的故障診斷方法研究有一定進(jìn)展，但用于軍用車輛輪轂電機(jī)位置傳感器故障預(yù)先診斷上大都存在一些問題，故障診斷預(yù)先提示技術(shù)尚不成熟。未來(lái)需要加大理論研究，并在后期結(jié)合實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 兩種控制狀態(tài)下的切換機(jī)制

裝甲車輛行駛過程中，當(dāng)故障檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速或定子q軸電流持續(xù)出現(xiàn)振蕩時(shí)，位置傳感器極大可能出現(xiàn)損壞，此時(shí)為避免因傳感器損傷導(dǎo)致車輛失穩(wěn)發(fā)生事故，應(yīng)及時(shí)將電機(jī)控制方式由傳感器控制切換至無(wú)位置傳感器控制，以滿足車輛的基本行駛。

目前可考慮通過算法程序?qū)崿F(xiàn)切換，當(dāng)位置傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，算法程序自動(dòng)切換至無(wú)位置傳感器控制狀態(tài)，并根據(jù)事先設(shè)定的要求判定是繼續(xù)使用無(wú)位置傳感器控制運(yùn)行，還是短暫使用無(wú)位置傳感器控制使電機(jī)能夠穩(wěn)定降至零速度。具體的切換技術(shù)是非常有研究?jī)r(jià)值的，目前相關(guān)研究較少，未來(lái)將是研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

此時(shí)應(yīng)說(shuō)明的是，無(wú)位置傳感器控制并不是在位置傳感器損壞后才啟動(dòng)的，在位置傳感器正常工作，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，無(wú)位置傳感器控制算法應(yīng)一直作用，通過算法估計(jì)的值不斷與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析，構(gòu)成閉環(huán)控制，使得估計(jì)值無(wú)限向?qū)嶋H值驅(qū)近。只有這樣，當(dāng)位置傳感器損壞，向無(wú)位置傳感器控制切換時(shí)，才能保證切換瞬時(shí)位置相對(duì)精準(zhǔn)，不致于使電機(jī)過分振蕩甚至失穩(wěn)。

4 結(jié)論

本文在分析國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用于全電化裝甲車輛輪轂電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制實(shí)際需求及迫切需要解決的技術(shù)問題，主要從無(wú)位置傳感器控制方法、位置傳感器故障檢測(cè)及從位置傳感器狀態(tài)切換到無(wú)位置傳感器狀態(tài)展開，歸納了正常行駛-故障檢測(cè)-狀態(tài)切換的工作流程，對(duì)全電化裝甲車輛輪轂電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展研究可供參考，這對(duì)軍用車輛穩(wěn)定性及自適應(yīng)容錯(cuò)控制具有重要意義。

由于實(shí)車操作難度大，輪轂電機(jī)位置傳感器故障診斷及狀態(tài)切換技術(shù)目前尚不成熟，這將是未來(lái)學(xué)習(xí)研究中所致力的關(guān)鍵。