军用车辆轮毂电机无位置传感器技术研究进展

廖自力，解建一，袁 东，赵其进

(陆军装甲兵学院 兵器与控制系， 北京 100072)

随着军事技术的迭代变革，未来信息化战争形式多样，将是陆、海、空、天一体化联合作战。对于陆战装备而言，应具备精确的打击能力、快速的突击能力、高效的防护能力以及未来的无人战斗能力[1]。面对新一轮军事变革的需求，集电驱动、电武器、电防护、综合信息作战能力于一体的全电化装甲车辆成为世界各国陆战装备研究的热点[2-4]。作为全电化装甲车辆的核心，电驱动系统相较以往传统的机械传动机构，将动力通过驱动电机和减速器直接传递给履带或车轮，具有动态响应快、控制精度高、维修简便、高效等优点[5]。

电机作为电传动装甲车辆的直接动力来源，其品质好坏直接影响车辆的性能。针对电机及其驱动系统，中国工程院院士、海军工程大学马伟明教授提出“高可靠性、高精度、高功率密度、高适应性、低排放、多功能复合”的应用需求[6]，为电机系统高品质运行性能指明了发展方向。近些年，军用车辆轮毂电机驱动技术的研究得到广泛关注，轮毂电机独特的布置方式和结构特点，对提升军用车辆的综合性能有显著的作用，主要表现在：每一个电动轮都是独立可控的驱动单元，当个别电动轮发生故障时，其他电动轮仍能驱动车辆行驶，保持机动能力，这有效提升了战场生存能力，对战斗车辆尤为重要；同时，相比于机械转向结构，独立的电动轮结构可以更容易实现线控转向和全轮转向，极端情况下，利用电机的反转能力，能够实现类似履带车辆的滑差转向，甚至原地转向，这有效提高了车辆的转向性能；另外，简化了复杂的机械传动装置后，电机通过轮边减速器与车轮相连，缩短了动力传输路径，有效提升了驱动系统效率。基于此，多个国家已将轮毂电机驱动车辆作为新一代军用车辆的重要发展方向之一[7-8]。

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有功率密度高、转矩惯量比大、动态响应速度快等优点[9]，在大功率交流传动领域具有明显的优势，随着近些年永磁材料性能的不断提高、电力电子技术以及控制技术的不断进步，目前已成为装甲车辆轮毂电机的最佳选择。PMSM的高性能控制依赖于对转子位置的精确测量，测量方式通常是使用光电编码器、旋转变压器等机械式传感器[10]，然而机械式传感器的应用导致电机系统产生诸多问题：安装高精度、高响应的传感器成本较高，成本不局限于传感器的价格，还包括隐蔽良好的接线以及插头、可靠的机械安装及保护等；部分传感器的安装可能引发同心度问题[11-12]，与实际转子位置出现偏差；传感器的使用增加了系统的控制接口和接线，系统容易受到外部机械环境及电磁环境的干扰，可靠性降低；传感器体积和质量较大，降低了系统的功率密度[13-14]。综合上述诸多缺点，必须考虑一种合理的方案改善或取代机械式传感器，无位置传感器控制技术应运而生。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

从20世纪70年代到现在，世界各国对电机无位置传感器的研究便一直没有停止过，特别是近些年，更是成为电机及其控制领域的研究热点。

无位置传感器的研究最先开始于感应电机，1975年A.Abbondanti等[15]推导出依赖于稳态方程的转差频率估计方法，虽然辨识度不够精确而且调速范围小，但开启了无传感器研究的先河；1979年，M.Ishida等[16]通过对转子齿谐波的观测实现对感应电机的转速辨识，但因为当时控制芯片能力有限，只在一定的转速范围内达到预期的效果；1983年，R.Joetten[17]最先在矢量控制中运用无传感器控制方法并产生深远的影响，直到现在，国内外都还有许多学者将研究重心放在基于矢量控制的无传感器控制中，相继取得了可人的成果；1985年，德国大电机研究所学者运用扩展卡尔曼滤波器方法进行速度辨识，得到比较好的效果；1986年，日本学者T.Furuhashi[18]提出了滑模观测器法，该算法基于滑模观测器理论，构造了滑模平面，利用定子电流误差，重构电机反电势，进而估算转子位置；1993年，美国M.J.Coney和R.D.Lorenz教授[19]提出了高频信号注入法，并用于PMSM调速研究，引起了各界学者广泛关注；2002年芬兰学者VM.Leppanen和JormaLuomi等[20]采用低频信号注入的方法，并将其成功应用于隐极式PMSM，显著提升了低速辨识精度；2003年韩国教授S.K.Sul等[21]提出了脉振高频电压注入法，在d轴方向注入高频电压，促进d轴磁路饱和，激发出PMSM的饱和凸极特性并加以追踪实现位置检测；2004年，英国拉夫堡大学的陈文华教授[22]提出设计一种特殊的扰动观测器模型的方法，借助中间变量的变换，省去了对状态变量的微分运算过程，有效降低了系统对噪声信号的敏感度；2010年，Gilbert等[23]采用自适应滑模观测器，低速阶段利用其他方法来修正估计值以改善低速时的性能，从而实现在全速度范围内的控制；2012年，Villet W.T.等[24]通过滞环控制综合了高频注入法与模型法，克服了复杂度较高、切换过程会出现电流尖峰等困难后，大致实现了无位置传感器的全速度范围运行；Hieu N.T等[25]将高频脉振信号注入法与滑模观测器相结合，在两者策略切换过程利用线性加权函数来过渡。2014年，Park N等[26]提出一种简化的方波注入法信号处理方法，但忽略了位置跟踪器对PMSM无位置传感器控制性能的影响，这有待进一步改进。

1.2 国内研究现状

国内无位置传感器控制的研究起步相对较晚，但发展飞速。国内众多专家学者在广泛学习国外研究技术的同时，深入思考，在近些年针对不同交流电机提出许多无位置传感器控制方法，目前国内无位置传感器控制取得了较好进展。文献[27]提出了一种PMSM无位置传感器启动方法，基于双dq空间，来完成电流频率比控制与磁链估计法的过渡切换；文献[28]对高频信号注入法深入研究分析，并将该方法分类为传统的高频正弦波注入法、改进的高频正弦波注入法和高频非正弦波注入法三类，3种方法中的实施方案文中都详细进行了介绍，对三种方法进行了对比分析，并指明各个方案的特点及优缺点；文献[29]提出一种新型的转子位置角观测器，在转子回路注入高频脉动电流，利用电磁转矩闭环将同频率的高频脉动分量注入电磁转矩中，基于锁相环原理观测出转子位置角，据此实现直接转矩控制电励磁同步电机驱动系统在零转速及低转速时无位置传感器运行；文献[30]选取三相PMSM，在推导包含转速变量的三阶系统状态方程后，得出基于扩展卡尔曼滤波算法的动子速度估计值，并提出一种低阶串行的双扩展卡尔曼滤波算法，较好地提高了状态估计精度；文献[31]结合滑模观测器及模型自适应两种方法特点，提出一种滑模参考自适应观测系统观测器，有效提高定子电流的波形质量，精确估计出PMSM转子位置和速度，且鲁棒性好；文献[32]基于标幺化位置误差信息融合，提出一种单龙贝格位置观测器的复合控制方法，将方波电压注入法和反电动势模型法分别用于零、低速和中高速阶段，以此获得标幺化位置误差信号，在速度过渡区内，将速度信息对标幺化位置误差信号进行加权融合，利用单龙贝格位置观测器对转子位置、转速进行实时观测。文献[33]提出基于双重锁相环的新型反电动势滑模观测器方案，通过主动引入非理想环节对电流信号进行延迟重构，将重构电流信号与估计位置信号进行二次锁相，构成双重锁相环，有效补偿了相位估计误差。文献[34]提出一种直接基于反电动势谐波闭环控制的综合谐波抑制策略，通过设计高阶滑模观测器，有效抑制了滑模抖振问题，能够避免低通滤波器环节，从而提升电机反电动势的观测准确性。

无位置传感器控制技术在近些年一直是交流电机及其控制领域的重要研究热点，在近些年已经取得了较好进展，但是对于性能要求较高的应用场合，譬如陆战装备全电化装甲车辆而言，无位置传感器技术还有待于进一步完善，值得更进一步深入研究。

2 基于军用车辆的无位置传感器控制需求分析

自20世纪90年代以来，交流电机的无位置传感器控制技术与时俱进，国内外专家学者针对不同交流电机类型及控制方式提出了许多控制策略，目前交流电机的无位置传感器控制技术已取得良好的进展。但对于装甲车辆驱动系统而言，需要具备低速大扭矩启动、过载能力强、调速范围宽以及良好的转矩动态性能[35]，要求性能较高，无位置传感器控制技术有待于进一步研究；同时，从目前的研究来看，单一的无传感器控制策略作用速度区间有限，不能满足在全速度范围内的高性能控制，需要在零、低速及中高速分别进行控制，然后设计合理的算法完成速度区间的切换，使电机能够在全速度范围实现无位置传感器可靠运行[28，36-37]；目前，对于PMSM全速度范围内无位置传感器控制技术研究的较多，甚至已在高铁实现无传感器控制无故障运行，但地方车辆与部队装甲车辆有着很大区别。地方上无位置传感器控制策略设计完成后，经过试验阶段的测试，无误即可列装，所用设备也无需再加装传感器。而对于部队而言，装备的可靠性是第一位的，战场上更是如此，未来实际情况中无位置传感器控制更有可能作为全电化装甲车辆机械式位置传感器的备用方案，如图1所示，即建立正常行驶-故障检测-状态切换的工作流程。在位置传感器正常工作时，无位置传感器控制算法同步运行，得到的转子位置估计值与位置传感器测得的实际值不断对比优化，使得估计结果趋于最优；当位置传感器受战场环境影响故障时，可实现位置传感器的预先故障辨识及控制状态的切换，使无位置传感器控制能够阶段性的取代位置传感器，维持车辆的基本行驶，这是极其有意义的。

图1 自适应容错控制方案工作流程框图

3 军用车辆无位置传感器控制关键技术

3.1 无位置传感器控制方法

当前，常用的无位置传感器控制方法主要有两类，如图2所示。第一类是基于定子基波反电动势，另一类是基于电机凸极性。其中，基于反电动势的方法主要用于电机在中、高速运行时的位置和速度辨识，包括滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波法、模型参考自适应法等。由于反电动势随着转速升高而增大，在低速时反电动势很小，基波模型中的有效信息容易受到其他参数和测量噪声的影响，位置信息提取困难，这类辨识方法不再适用；基于电机凸极性的方法不依赖于电机的基波方程，在低速阶段有着较好的辨识效果，这类方法一般通过电机定子侧注入附加的激励信号，依靠电机的凸极性将含有转子位置的信号反映在电机的端电压或电流中，据此提取出相应的响应信号后，再通过位置观测器便能够获取转子的位置和转速，常用的注入法包括旋转高频电压注入法、脉振高频电压注入法以及脉振方波电压注入法。但随着转速的升高，基波频率与高频注入信号逐渐接近，高频谐波也随之增加，对高频信号的提取和处理变得十分困难，这类方法也不适用于电机高速阶段。因此可以看出：需要采用不同的算法来对不同速度区间的转子位置进行辨识，最后还需要采用合理的切换算法实现全速度范围内的复合控制，目前切换算法主要有变权重加权控制法、基于滞环控制的切换方法、基于锁相环的位置信号切换方法[28，36-37]。

图2 无位置传感器常用控制方法分类框图

下面分别对不同速度区间的位置辨识算法及全速度范围内复合控制的典型方法进行介绍。

3.1.1零、低速无位置传感器控制方法

这类方法基于电机凸极性，主要用于电机在零、低速运行时的位置和速度辨识，常用的方法主要有以下几种[28]：

1) 旋转高频电压注入法。旋转高频电压注入法对电机凸极率要求较高，其原理是将平衡的三相高频电压激励信号注入电机的两相静止坐标系中，检测电机定子端所对应的高频电流响应，响应电流的负序分量中包含着转子位置，通过解耦位置误差信号，即可实现转速和转子位置的观测。但该方法也存在一些不足，首先是注入的旋转高频信号会造成q轴电流中出现脉动分量，导致电机存在转矩脉动，运行稳定性受到影响。此外，提取负序分量过程中通常需要依靠同步轴系高通滤波器除去正相序的电流分量，这在一定程度上又增加了控制系统的复杂度。

2) 脉振高频电压注入法。与旋转高频电压注入法不同，脉振高频注入法只需在旋转坐标系的d轴注入高频信号，若将其映射在两相静止坐标系中，该注入信号是基频旋转向量和高频脉振向量的结合。脉振高频电压注入法同样可以通过检测电流信号辨识出转子位置，该方法仅在d轴注入信号，q轴中的电流脉动很小，由此带来转矩脉动和高频损耗相对较低，在信号提取中也不需要额外的高通滤波器，只需要与注入信号同频率的调制信号相乘就能解调出转子位置，实现过程相对简便。不足之处是该方法对观测器中PI参数较为敏感，参数整定比较复杂。对于隐极式PMSM，受磁性材料的影响，一般具有饱和凸极效应，可能造成d、q轴电感值的差异，有时也可用脉振电压注入法实现对转子位置的辨识。

3) 脉振方波电压注入法。方波注入法也是在d轴注入激励信号，这点与脉振高频电压注入法相似，只是其信号类型为高频方波。方波注入法的注入信号可以采用较高频率，甚至能够达到逆变器的最大开关频率，系统动态响应较好，并且有助于削弱高频噪声，有着较好的发展空间。

其他的方法还有载波频率法以及低频信号注入法。其中，载波频率法实际中对硬件的要求较高，推广至实际产品应用较困难；低频信号注入法其信号波处于低频，对电机实际控制产生干扰，因此其动态性能不理想。

3.1.2中、高速无位置传感器控制方法

这类方法基于定子基波反电动势，主要用于电机在中、高转速运行时的位置和速度辨识，常用的方法主要有以下几种[36-37]：

1) 滑模观测器法。滑模观测器法利用滑动模态原理设计滑模变结构，即滑模面，使其作为系统期望运行的轨迹，当变量在滑模面两侧运行时，通过高频率切换开关极性，使得状态变量沿着滑模面作高频率的上下运动，直到到达平衡点。在PMSM转速和位置辨识系统中，滑模观测器的设计通常依据电流状态方程，切换函数主要有饱和函数、S形函数或者符号函数，切换函数的输出经过低通滤波器可以得到反电动势波形，进而直接计算出转子位置和转速。滑模观测器法对外部扰动和系统参数变化不敏感，因此具有较好的鲁棒性，但其开关过程不可避免带来抖振问题，如何实现良好去抖是提高控制性能的关键。

2) 扩展卡尔曼滤波法。扩展卡尔曼滤波法是一种非线性的估计算法，其将非线性的系统线性化，再通过卡尔曼滤波递推实现对待辨识信号的观测，因其通过非线性状态方程可以将系统误差和随机噪声考虑在内，并且在迭代过程中用计算得到的反馈值不断校正估计值，因此能够抑制各种随机扰动，鲁棒性较好，同时具有良好的自适应能力，在电机运行的中、高速段能获得较好的转速和位置辨识效果。不足之处是该算法递归迭代时需要大量矩阵运算，过程复杂且需要高性能的数字处理器，如果能够通过算法简化迭代过程将大大提高该方法的实用性。

3) 模型参考自适应法。模型参考自适应法用于参数辨识一般包括3个主要步骤：确定参考模型和可调模型、系统稳定性分析、求解自适应律。在PMSM速度辨识中，参考模型一般为电机本体，可调模型为其电流模型，其中电流模型中包含有转速信号。参考模型和可调模型同时运行，将两者输出的值作差，并以此差值构建自适应律，对可调模型中的待辨识参数(转子的电角速度)进行实时调节，使两个模型的输出量趋于一致，此时估计的角速度信号也趋近于实际信号，将估计的角速度求取积分，便可以得到转子位置。在系统稳定性分析及确定自适应律中，常用的方法有李雅普诺夫理论、波波夫超稳定性理论、局部参数最优理论等。

此外，其他基于反电动势的方法还有磁链开环计算法、自抗扰控制算法、状态观测器法等。但上述基于电机模型的位置辨识算法一般都存在以下不足：依赖于电机的模型，因此电机运行时，电阻、电感及磁链等参数的动态变化均会对辨识精度产生影响。

3.1.3不同速度区间的速度切换方法

在零、低速及中、高速时分别采用两种控制方法，在两种辨识算法切换时会涉及转速及位置角转换的问题。目前常用的切换方法有以下两种：

1) 变权重加权控制法。如图3所示，变权重加权控制基于选中的高、低速控制方法，将两种方法估算出的转子位置与速度用变权重的加权控制法进行复合，获得临界区间估计的转速及位置估计值，控制的关键在于加权因子α的选定。

图3 无位置传感器常用控制方法示意图

2) 基于滞环控制的切换方法。滞环控制[38]应用于不同速度区间的切换时，在低速下的换相策略保证电机的正常换相，当转速升高时，电机通过滞环切换，切换至增加相位的换相补偿策略，实现电机平稳换相。此法能够避免电机位置控制策略在一定转速频繁切换，起到保护电机的作用，但需注意滞环切换点和环宽的选取。

此外，还有基于锁相环的位置信号切换方法、标幺化位置误差信息融合的单龙贝格位置观测器的复合控制方法等。但上述方法普遍存在以下不足：切换过程涉及转速和位置角的转换，需要在全速度范围内同时运行两种算法以保证切换时系统的稳定性，因此过多占用了控制系统的软硬件资源。

3.2 位置传感器故障检测

PMSM的高性能控制依赖于对转子位置的精确测量，测量方式通常是使用光电编码器、旋转变压器、霍尔传感器等机械式位置传感器。旋转变压器由于抗冲击、抗振动及环境适应性强，在全电化装甲车辆中得到广泛使用，旋转变压器定子励磁绕组所在的磁场在转子正、余弦输出绕组中感应出包含电机转轴绝对位置信息的正、余弦电压信号，再通过专用解调芯片即可得到转子位置信息。

考虑全电化装甲车辆通常行驶在大起伏、高温差、多灰尘的环境下，加之旋转变压器存在加工及安装误差，旋转变压器发生故障几率增加，通常是正、余弦绕组输出出现幅值不平衡和正交不完善故障，进而导致获取的转子位置信息有所偏差，引发轮毂电机电磁转矩和转速出现振荡，甚至危及轮毂电机驱动系统稳定运行，致使车辆无法行驶[39-40]。因此研究位置传感器故障预先诊断提示对于车辆安全稳定运行有着极大意义。

常见的位置传感器故障诊断方法有以下几种：

1) 阈值检测法[41-42]，通过附加处理单元读取传感器实时采集的信号，通过逻辑诊断进行设定阈值检测，诊断结果准确迅速。但需要诊断逻辑实时运行，这无疑会占用运算资源，且附加的处理单元会造成硬件冗余，加大诊断难度；

2) 模型诊断法[43-44]，通过对被监测的部件运行过程建立模型，将模型输出与被监测部件输出对比进行诊断。可以选择测试轮毂电机转速，当某一电机振荡失稳，与其他电机转速产生明显差异时，该轮毂电机旋转变压器极大可能出现损坏。此法对模型精度要求高，仅线性模型诊断性能往往不足，比如该处电机振荡存在不是传感器故障的可能性；

3) 信号分析法，当旋转变压器因正交不完善、幅值不平衡发生故障时，定子q轴电流因传感器故障会产生二倍频脉动分量，通过监控、计算，检测出定子q轴电流出现振荡时，该轮毂电机旋转变压器同样可能损坏[45]。此法计算量较大。

目前，位置传感器的故障诊断方法研究有一定进展，但用于军用车辆轮毂电机位置传感器故障预先诊断上大都存在一些问题，故障诊断预先提示技术尚不成熟。未来需要加大理论研究，并在后期结合实车进行试验。

3.3 两种控制状态下的切换机制

装甲车辆行驶过程中，当故障检测系统检测出电机转速或定子q轴电流持续出现振荡时，位置传感器极大可能出现损坏，此时为避免因传感器损伤导致车辆失稳发生事故，应及时将电机控制方式由传感器控制切换至无位置传感器控制，以满足车辆的基本行驶。

目前可考虑通过算法程序实现切换，当位置传感器出现故障时，算法程序自动切换至无位置传感器控制状态，并根据事先设定的要求判定是继续使用无位置传感器控制运行，还是短暂使用无位置传感器控制使电机能够稳定降至零速度。具体的切换技术是非常有研究价值的，目前相关研究较少，未来将是研究的重点及难点。

此时应说明的是，无位置传感器控制并不是在位置传感器损坏后才启动的，在位置传感器正常工作，电机稳定运行时，无位置传感器控制算法应一直作用，通过算法估计的值不断与实际值进行对比分析，构成闭环控制，使得估计值无限向实际值驱近。只有这样，当位置传感器损坏，向无位置传感器控制切换时，才能保证切换瞬时位置相对精准，不致于使电机过分振荡甚至失稳。

4 结论

本文在分析国内外对无位置传感器控制研究现状的基础上，提出应用于全电化装甲车辆轮毂电机的无位置传感器控制实际需求及迫切需要解决的技术问题，主要从无位置传感器控制方法、位置传感器故障检测及从位置传感器状态切换到无位置传感器状态展开，归纳了正常行驶-故障检测-状态切换的工作流程，对全电化装甲车辆轮毂电机无位置传感器控制技术发展研究可供参考，这对军用车辆稳定性及自适应容错控制具有重要意义。

由于实车操作难度大，轮毂电机位置传感器故障诊断及状态切换技术目前尚不成熟，这将是未来学习研究中所致力的关键。