永磁同步电机无速度传感器控制技术综述
潘森林，高 瑾
【摘 要】文章首先介绍了永磁同步电机无速度传感器控制技术的发展历程及国内外的研究现状，然后对无速度传感器控制技术在零低速区、中高速区和全速区的控制策略进行了分析和比较，最后指出了无速度传感器控制技术的研究重点和发展趋势。 【期刊名称】微电机
【年(卷),期】2018(051)003 【总页数】8
【关键词】永磁同步电机；无传感器控制；控制策略
0 引 言
高性能的PMSM控制系统中，速度信号扮演了重要的角色。除了作为转速闭环反馈信号外，还是坐标变换的依据[1]。传统控制系统多采用光电编码器、旋转变压器等机械传感器获取转速信号。但是机械传感器的安装维护成本高；增加了系统的复杂度；降低了鲁棒性和可靠性；限制了PMSM在一些特殊场合的应用。为了克服上述机械传感器的弊端，无速度传感器控制技术成了电机控制技术领域中的一个研究热点[2]。
无速度传感器控制技术是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计等手段，从定子边较易测量的量(电压、电流)中提取与转速相关的量。利用这些检测到的物理量和电机数学模型估算出转速，实现电机闭环控制[3]。
1 发展历程及研究现状
PMSM无速度传感器控制技术是在数字信号处理器出现以后得以发展的，无速度传感器控制方法的研究最早开始于20世纪70年代。1975年，ABBONDAN Ti A等人针对异步电机提出了转差频率估计法，首次开展了无速度传感器控制方法的研究。但是该方法的理论基础是电机稳态方程，动态性能和低速运行精度难以得到保证，而且调速范围较小[4]。1979年，ISHIDA M等学者利用转子齿谐波来检测转速，由于受处理器运算速度的制约，只在高速范围取得较好的结果[5]。1983年，JOETEN R首次将无速度传感器控制技术应用于感应电机矢量控制，并为后续的研究指明了方向[6]。
对于PMSM无速度传感器控制方法的研究始于20世纪80年代。1989年，L.A. Jones等学者利用状态观测器对PMSM的转子磁极位置进行估计，首次实现了PMSM的无速度传感器控制[7]。
迄今为止，国外很多高校和科研机构都对PMSM无速度传感器控制技术进行了研究。如美国Wisconsin大学的R.D.Lorenz等人，于1993年首次提出了高频信号注入法的概念。采用旋转高频信号注入的方式，将无速度传感器控制技术拓展到低速甚至零速，并一直处于该项技术研究的最前沿[8]。1995年，韩国汉城国立大学的Seung-KiSul开始研究无速度传感器控制技术，涉及了多种电机及其控制系统。针对异步电机提出了脉振高频信号注入法，并运用该方法实现对表贴式永磁同步电机(SPMSM)无速度传感器控制[9]。近年来，德国Wuppertal大学的Joachim Holtz、意大利的A. Consoli、澳大利亚南威尔士大学的M.F.Rahman等人，也分别从不同角度投入到PMSM无速度传感器控制技术领域的科研工作中，并获得了多项研究成果[10]。
与此同时，PMSM无速度传感器控制技术也得到了国内科研机构的关注。如清
华大学的学者研究了高频信号注入法中信号处理过程的改进方法，针对field-intensifiedIPMSM(FIIPMSM)采用旋转高频信号注入法实现了低速时无速度传感器控制[11-12]。天津大学的学者把滑模观测器法和扩展卡尔曼滤波器法结合用于PMSM的控制中,实验结果表明估算精度、收敛性能、抗负载能力都有了大幅度提高[13]。浙江大学的学者对旋转高频信号注入法和脉振高频信号注入法进行了分析和比较，并对永磁无轴承电机无速度传感器控制进行了深入的研究[14]。沈阳工业大学的学者针对内埋式永磁同步电机(IPMSM)，解决了无速度传感器控制时存在的多重凸极问题，提出了多重凸极的解耦观测器跟踪转速信号的方法[15]。除此之外，还有中科院电工所、西南交通大学等科研机构和高校在PMSM无速度传感器控制技术方面也取得了重要的进展。
2 控制策略综述
PMSM无速度传感器控制方法从原理上大体可以分为两类:
第一类：基于电机数学模型。这类方法又可分为开环算法和闭环算法。开环算法中主要包含：直接计算法、反电动势积分法等；闭环算法中主要有：模型参考自适应法、滑模观测器法等。
此类方法在中高速区(10%额定转速以上)比较容易实现，可靠性高。但在低速情况下反电动势小，信号容易受到干扰，精度下降。在零速情况下甚至无法使用。
第二类：基于电机的凸极效应。如高频信号注入法等。这类方法不需要电机参数，可以应用于极低速甚至是零速控制。
此类方法在低速区(0-10%额定转速)具有较好的控制效果。但需要施加额外的检测信号，且滤波效果对电机参数、运行频率和负载比较敏感，从而增加了实
永磁同步电机无速度传感器控制技术综述
