无传感器技术在PMSM矢量控制中的发展与应用

赵伟 黄文娟

摘 要：永磁同步电动机（PMSM）由于其高转矩性能，在要求良好动态响应的拖动系统应用中通常是首选。本文以PMSM无传感器技术的发展与应用为研究对象，首先对PMSM矢量控制技术和无传感器进行简要的概述，然后再分析无传感器控制技术在PMSM矢量控制系统当中的发展与应用，给出了当前已获得应用的一些控制方法及建议。

关键词：无传感器控制；永磁同步电动机；矢量控制

0 引言

永磁同步电动机由于其体积小，高功率密度、高气隙磁通密度、高扭矩/惯性比，高转矩能力、效率高和免费维护，广泛应用于机床、航天等要求高性能以及良好动态响应的工业应用[1]。在外部干扰和系统的参数发生变化时，电机所安装的传感器获得的速度和/或位置信号不仅取决于系统响应的速度和精度，而且还受所选择的控制策略的鲁棒性的影响。因此，人们转而开始关注无传感器控制技术，期望能够克服现有硬件传感器所带来的不便，实现控制系统性能的提升。文章对无传感器技术在PMSM直接转矩控制中的发展与应用进行简要的概述。

1 矢量控制（VR）系统

永磁同步电动机的矢量控制理论是将交流电机模型经过坐标变换（ park变换、Clark变换）得到直流电机模型。同时将交流电流转换成直流电机模型的励磁电流和转矩电流，这样就实现了使用直流电机的控制方式来控制交流电机的目的。根据用途不同，则PMSM所选用的控制策略也不尽相同，例如直接转矩控制（Id = 0控制）；最大转矩电流比控制；最大输出功率控制等。采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，这是现代永磁同步电机矢量控制的发展趋势。

2 无传感器技术的概述

無传感器控制技术[2]指抛开传统的在电机中安装传感器的做法，利用电机的数学模型，通过检测易于测量的电机的电信号来实现对于PMSM的矢量控制。近年来该技术取得了长足的发展，涌现出了许多行之有效的控制策略，不但提高了可靠性、稳定性，并应用到了实际生产中去。

3 无位置传感器技术的发展

随着高速DSP芯片技术的的发展，使得PMSM的无传感器控制技术已经从理论研究进入到实际应用阶段成为了可能。目前无传感器技术的难点在于转子初始位置的检测，通过对电机电气参数的检测无法计算出转子的实际初始位置，只有在电机开始旋转后，估计值才能跟上实际值，这是它相比于实际传感器的一个必须要解决的问题。此外，应用无传感技术的电机系统，启动和低速运转时还存在有一些亟待解决的问题。

4 无位置传感器技术的控制策略

上文已经对PMSM矢量控制理论、无传感器技术及其发展进行了介绍与分析。永磁同步电动机无传感器控制策略主要有以下几种[3-5]：

（1）直接计算法

利用PMSM的数学模型，根据电机的实际参数进行推导，就求得转子实际转速与位置。该算法易于受到电机参数变化的影响，应用较少。

（2）自适应观测器

自适应观测器主要是采用电机的数学模型来估计电机的状态，并且该估计状态要不断连续的通过反馈校正方式进行校正，最终实现对非线性动态系统的状态和参数进行实时观测。

（3）高频注入方法

这种方法只能用于凸极式永磁同步电动机（IPMSM），它是利用了该电机的凸极效应与转子位置的对应关系，来取得转子的位置和转速。具体有脉动高频电压信号注入法和旋转高频电压信号注入法两类。

（4）卡尔曼滤波器

卡尔曼滤波是针对线性系统而提出来的，PMSM的数学模型具有较强的非线性，不能直接应用该方法。常用的方法是将该模型线性化，使用扩展卡尔曼滤波算法，通过测量电机的电信号进行电机转子速度与转子位置的估计。该算法在电机额定速度运行时可能出现较大误差，而且在低速负载转矩时不能有效估计，计算量大也是其主要缺点。

（5）基于人工智能的无传感器控制方法

将人工智能应该到无传感器控制中最常用的技术就是模糊控制与神经网络的结合，它们不需要系统精确的数学模型，并且可被应用于非线性系统。

（6）滑模变结构观测器

滑模变结构观测器主要是用于定子磁通估计，观测器在低速使用电压-电流组合模型，而在高速时切换成电压模型。旋转高频电压注入方案用于获得低速运行时的转子位置。此外，转子速度是通过动态调整算法利用所估计定子磁通速度来进行估计。该方法对于电机参数变化具有很好的鲁棒性，而抖动现象则是其主要缺点。

5 结语

当前，各种无传感器控制技术在应对永磁同步电动机中高速运行时都具有较好的控制效果，而对于低速运行则不尽如人意，存在着各种问题，尤其是启动问题，这都待进一步的研究和开发。

参考文献：

[1]李志民，张遇杰.同步电动机调速系统[M].北京：机械工业出版社，1996.

[2]王萍，李斌，黄瑞祥，李桂丹.基于神经网络的无速度传感器直接转矩控制系统的研究[J].电工技术学报，2003（02）：5-8，4.

[3]Xu Wang， Yan Xing，Zhipeng He， Yan Liu. Research and Simulation of DTC Based on SVPWM of PMSM[C].2012 International Workshop on Information and Electronics Engineering （IWIEE）， Procedia Engineering，2012（29）：1685-1689

[4]廖勇，张凤蕊.无传感器矢量控制系统及其速度估算的研究[J].电工技术学报，2004（02）：36-40.

[5]Andreescu Gheorghe-Daniel， Pitic Cristian Ilie， Blaabjerg Frede， Boldea Ion. Combined flux observer with signal injection enhancement for wide speed range sensorless direct torque control of IPMSM drives. IEEE Trans Energy Convers 2008；23（2）：393-402.

基金项目：唐山市应用基础研究项目（13110207b）