低速区永磁同步电机无传感器控制技术综述

张少华，吴湘频

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064）

0 引言

永磁同步电机因具有启动转矩大、功率因素高、响应速度快等优点，在要求高控制精度和高可靠性的场合获得了广泛应用。在这些应用场合，转速闭环是电机获得高精度控制的前提，但在一些场合，如1）超高速应用时；2）电机尺寸受限时；3）极恶劣环境中，温度、湿度、强振动等不利因素影响时；电机传感器的精度、线缆的安装都很难保证，转速反馈一旦出现问题，将造成灾难性的后果。

因此，人们希望能找到一种替代传统机械式传感器测量电机参数的方法。无传感器控制技术就是利用电机绕组中的相关易测变量，如定子电压、定子电流、绕组磁链等，通过特定的算法来估算出电机转子的位置或速度，从而实现电机高精度控制[1]。

1 PMSM无传感器控制发展及分类

1989年L.A.Jones用观测器法实现了永磁电机转子位置的估算，这一成功应用被认为是无传感器技术在PMSM控制中的首次应用[2]。目前，按速区划分，可将永磁同步电机的无传感器划分为中、高速区无传感器控制方法和低速区（包括零速）无传感器控制方法。其中，中、高速区转速估算方法大多依赖于电机基波模型，是通过各种算法获取与转速有关的各种物理量（电压、电流、磁链、反电动势等），并从这些物理量中提取出想要获得的转子位置或转速信号，中、高速区估算方法主要有以下几种：

1）基于数学模型的开环估计方法；

2）观测器估计法，观测器法的研究成果最为丰硕，可分为全/降阶状态观测器、滑模观测器、扩展卡尔曼观测器、模型参考自适应观测器等；

3）基于人工智能算法（神经网络、模糊控制等）的估算方法。

但应用于中、高速区的基于电机基波模型的估算方法需要提取的物理量大多与电机转速成正比，当电机运行于低速甚至零速时，在实际存在的各种干扰因素的作用下，很难提取出所需的物理量信息，因此，中、高速区的各种估算方法不适合应用于低速区甚至零速区。为提高永磁同步电机无传感器技术在低速区甚至零速区的调速性能，拓宽电机的调速范围，零速、低速的无传感器控制技术是必须解决的问题。因而，无传感器技术将来发展的重点是改进低速段的调速性能。

2 转子初始位置定位方法

2.1 预定位法

该方法是指通过特殊的方法迫使电机转子磁场和电机某一相对齐。可通过迫使电流矢量在所需方向维持一段时间来实现。该方法实现简单，但起动时易受到负载转矩的影响，当负载转矩较大时，使转子的实际位置达到预定位置变得十分困难，可能造成电机的启动失败。

2.2 基于等幅测试矢量励磁和电流检测的初始位置估计方法

这种转子初始位置估算方法由I.Miki等人提出[2]。其原理不依赖于电机的凸极特性，而是依据定子铁心的非线性饱和特性，所以该种方法也适用于面装式等结构凸极不明显的永磁同步电机。其实现方法是对电机电枢绕组施加一系列幅值想等的空间电压矢量励磁信号，利用测量到的电机相电流幅值对转子的初始位置进行预估，该方法的缺点是计算过程时需进行依次迭代，计算过程较为复杂。

2.3 基于高频脉振电压矢量励磁和相位检测的IPMSM初始位置估计

这种方法由Noguchi T.提出[3]。该方法主要依据IPMSM的凸极特性和转子铁心的磁饱和特性来估算电机转子的初始位置。其实现方法是在等效旋转坐标系下对电机坐标轴注入高频电压信号，注入的电压信号会产生相应的高频电流信号，利用注入高频电压信号与高频电流分量之间的相角来提取出电机转子的位置信号，从而实现IPSM的初始位置估算，该方法不依赖于电机参数，但同样需要较大的计算量。

2.4 INFORM法

INFOR法由Schroedl M.提出[4]，仅适用于内埋式永磁电机。其原理依据是电机的凸极特性，由于电机凸极结构的存在，电机定子绕组的电感会随着电机转子位置的变化而发生周期性的变化，可利用内置式永磁电机的这一凸极特性来实现电机转子位置的估算。复“INFORM”电感定义为给定电压空间矢量与相应电流矢量变化率的比值，具体实现方法是先向电机定子绕组施加短时间且方向不同的电压空间矢量，然后检测出相应的定子电流空间矢量变化率，即可以从“INFORM”复电感中提取出电机转子磁链的信息。该估算方法计算简单，不依赖于电机方程，对电机参数变化的鲁棒性强，但该方法在实际实现时对电流检测值的精度要求较高，实际物理量测量精度低时会导致电机的初始位置的检测有较大误差。同时该方法实现的前提是假设电机的磁场按照正弦分布，如电机磁场发生畸变时会影响定位结果。

2.5 长、短时间电压脉冲注入法

该方法由Boussak,M.等提出[5]，主要应用于IPMSM，首先通过对IPMSM的绕组施加3个短时间电压脉冲（约200 μs） U1、U2、U3,分别得出电机三相绕组中的Ia、Ib、Ic，通过三项绕组中电流的 Δ Ia、 ΔIb、 ΔIc将电机转子位置划分为24个15°电角度的区域。并通 Δ Ia、 ΔIb、 ΔIc计算出转子角度，其计算公式如下式所示，

然后通过对电机绕组施加一个长时间（约700μs）改变电机磁场回路的磁饱和状态来区分转子的N极和S极，如果电机绕组的磁链和施加的长时间脉冲产生的磁链方向一致，会得到一个大约为普通电流2倍的峰值电流，从而可区分出转子的N极和S极。至此，可实现IPMSM转子位置的初始定位。

3 低速区转速估计方法

3.1 高频信号注入法

高频信号注入法由Lorenz等提出[6]，在PMSM的低速区转速估算中已经得到较大的发展，其主要原理依据是电机的凸极特性，其中，内置式PMSM是结构性凸极，而面装式PMSM凸极是指当电机主磁路达到饱和时而表现出来的饱和性凸极。高频信号注入法主要包括高频旋转电压注入法、高频旋转电流信号注入法、高频脉振电压信号注入法。其基本原理是:在电机等效旋转坐标下，向电机等效定子坐标轴注入高频电压信号或者高频电流信号（选择高频电压信号还是高频电流信号主要取决于所选择的逆变器类型，即当选择的是电压源型逆变器时选择高频电压信号注入，选择的是电流源型逆变器时选择高频电流信号），使其产生恒定幅值的旋转磁场，或产生沿某一轴线脉动的交变磁场。转子旋转过程中，转子的凸极会对气隙磁场产生调制作用，相应的定子电流会产生与转子位置信号相关的高频载波分量，可从这些高频载波分量中提取出电机转子的位置信息。

3.1.1高频旋转电压注入法

高频旋转电压信号注入法的基本原理图如图1所示。

该电流矢量包括正、负序分量，因为电机的凸极特性的存在，高频载波电流矢量受到电机凸极的调制，受调制的同频载波电流信号的负序分量中包含有转子的磁极位置信息，为提取出所需的负序分量，将电流矢量信号转换到与载波励磁电压矢量同步的参考坐标系中；此坐标系下，正序高频信号就变成一个直流信号，可通过高通滤波器滤去正序高频信号和载波信号中的基波分量，提取出包含转子磁极信息的负序分量，从而实现电机转子的位置的估算。

3.1.2高频旋转电流信号注入法

高频旋转电流信号注入法与高频旋转电压信号注入法类似，实现方法也基本类似，旋转高频电压注入法和旋转高频电流注入法的区别在于注入的信号不同，后者注入的是电流信号，同样电机的凸极也将调制由载波电流所生成的载波电压信号。同样可通过高通滤波器滤去不需要的载波信号中的基波分量和正序分量，实现负序分量的提取来实现转子位置信号的提取。

高频电流信号注入法与高频电压信号注入法相比，其主要优点是用较小的电流信号即可产生幅值较大的电压信号，这是因为励磁信号通常具有较高的频率，电机阻抗会随着频率的增加而增加；所以较小的高频电流信号注入即可提取出转子的位置信号。同时，采用高频电流信号注入法时，需同时调节载波电流分量和高频基波电流分量，因而高频电流信号注入法实现时所需的电流调节器需要很高的带宽。

3.1.3高频脉振电压信号注入法

高频脉振电压信号注入法由JK.Ha提出[7]，该方法的理论依据是电机的饱和凸极特性，不需要结构性凸极即可实现转子位置的估计，因而也适用于面装式永磁同步电机。矢量控制中，在电机同步旋转坐标系下，将高频脉动矢量信号注入到电机同步坐标轴中，注入的高频脉动信号所产生的高频阻抗中包含有转子位置信息，因此通过对高频阻抗的测量，借助特定的估算方法可实现对电机转子位置信号的提取。其基本原理图如图2所示。

该方法鲁棒性强，对电机参数变化不敏感，对测量误差也不敏感，在零速和低速区都能很好的实现电机转子位置的估算；但该方法缺点是对调节器参数比较敏感。

3.2 低频信号注入法

同以上高频信号注入法类似，低频信号注入法是在矢量控制的基础上，对电机的坐标轴注入低频信号，通过检测注入信号的电压响应来提取出转子的位置信号。在电机的同步旋转坐标下，向电机估计坐标轴d轴注入一个一定频率的低频信号，此时的估计坐标系与实际转子坐标系有一个误差，这时注入d轴的低频信号会在实际转子坐标系的坐标轴上产生相应的高频谐波分量，通过实际转子坐标轴上高频谐波分量产生的反电动势并结合电机的运动方程，可得出与两个坐标系误差成正比的误差信号，如果能使该误差信号收敛到零，就能使估计坐标系准确定位至实际的转子坐标系，从而得出所需的转速、位置信号。该种方法对面装式PMSM同样适用，文献[8]提出通过向定子注入低频电压信号（与高频信号不同，低频信号产生的电磁转矩可使电机转子在固定点发生抖动但不会促使电机启动），从而从注入低频信号产生的反电动势中得出所需的转速、位置信号。

3.3 基于电压畸变补偿策略的转速估计方法

文献[9]提出一种适用于低速转子位置估算方法[9]，大多数中、高速区的位置估算方法是通过估算电机的磁链矢量来实现，由于基于脉宽调制逆变器的非线性会产生电压畸变，大多数磁链估算方法在低速范围内不适用，文献[9]通过对这种电压畸变进行在线补偿从而使转速估算达低速区速度估算时所需的精度。

文中，引入中间变量Ap（逆变器工作状态函数）对逆变器的非线性进行计算；将畸变的电压误差作为电压扰动，构建扰动观测器行估计，并反馈到给定电压作为逆变器非线性的补偿，其基于电压畸变补偿策略的磁链观测器框图如图3所示，经实验验证，该方法能显著提高低速区的转速估计性能。

3.4 瞬态注入法

学者Reiko Raute等提出一种基于瞬态注入原理的PMSM转速估计方法，这种注入法不需要专用测试矢量信号注入，通过基本的PWM开关即可实现信号的注入。可检测瞬态转子、磁链信号，通过检测估计坐标系下的电流变化率来实现，基本思路如下；

d、q坐标电机数学模型如式（3），注入瞬态零电压矢量后上式可变为(4)式。在无传感器PMSM系统中，常规d、q坐标不适用，转换到de、qe旋转磁链坐标系下，设两个坐标系误差角为λerr，如图4。

上式中，可看成第一部分为电机凸极效应分量，第二部分为反电动势分量。

则基于ZVCD方法的转速估计测量原理框图如图5所示，其中，LUT是用来补偿逆变器非线性引起的影响，由得出的λerr可将电机变量从de、qe坐标系转换到α、β坐标系下；该方法得到的反电动势信号很强，即使在超低速下、凸极效应极小的情况下也可以用来检测电机转速，而其凸极分量即使在零速下可以满足电机驱动需求。

4 结语

综述所属，永磁同步电机的转速估计主要分为中、高速区估计方法和适用于低速、零速的转速估计方法，但各种估算方法都有各自的优点和不足，对于低速区的估计方法来说，应在以下方向上有所提高：

1)进一步优化电动机的凸极结构；使电动机具有比较明显的凸极特性；

2）进一步提高凸极识别的精度，简化设计，减小信号提取的计算量，提高信号提取的精度；

3）与中、高速区转速估算方法有效结合，构成全速区转子位置、转速估算方法。使全速区的转速估算精度达到永磁同步电机高精度闭环控制的需要，是未来无传感器发展的趋势。

[1]Alfio Consoli,Giuseppe Scarcella,Antonio Testa.Industry application of zero-speed sensorless control techniques for PM asynchronous motors.IEEE Trans.Ind.Appl.2001，37(2):513-521.

[2]LA.Jones, JH.Lang. A state observer for the permanent-magnet synchronous motor, IEEE Transactions on Industrial Electronics,1989,36(3):374-382.

[3]Noguchi,T.;Yamada,K.;Kondo,S.;Takahashi,I.Initial rotor position estimation method of sensorless PM synchronous motor with no sensitivity to armature resistance.Industrial Electronic,IEEE Transactions on,1998,45(1):118-125.

[4]Schroedl M．Sensorless control of AC machines at low speed and standstill based on the“INFORM”method[C]． Industry Applications Conference，1996，1：270-277.

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[9]Shin-MyungJung,Jin-Sik Park,Hag-WoneKim,Myung-Joong Youn. Improved rotor position estimation employing voltage distortion compensation for sensorlessPMSM drivesatlow speed,Power IECON,2008:4243–4248.

[10]R.Raute,C.Caruana,J.Cilia,C.Spiteri Staines,M.Sumner,A zero speed operation sensorless PMSM drive withoutadditionaltestsignalinjection,in Proc.EPE,Aalborg,Denmark,2007.