[科普中國(guó)]-無(wú)感測(cè)器控制

簡(jiǎn)介定義

無(wú)感測(cè)器控制又稱無(wú)傳感器控制、無(wú)感應(yīng)器控制等。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度、高動(dòng)態(tài)性能控制，需要知道轉(zhuǎn)子的位置和速度。一般通過(guò)安裝機(jī)械式傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本，無(wú)傳感器控制技術(shù)克了服使用機(jī)械傳感器給系統(tǒng)帶來(lái)的缺陷，擴(kuò)大了永磁同步電動(dòng)機(jī)在一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用范圍。

分類根據(jù)無(wú)傳感器PMSM 轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法在不同速度區(qū)間的估算效果，可以把所有的無(wú)位置傳感器控制方法分為兩大類 ：①適用于中、高速的方法；②適用于零速或極低速的方法。

第一類無(wú)位置傳感器控制方法適用于運(yùn)行在中、高速范圍內(nèi)的調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。這類方法依賴電動(dòng)機(jī)基波激勵(lì)模型中與轉(zhuǎn)速有關(guān)的量（如產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)）進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置和速度估算，由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在零速和極低速時(shí)，有用信號(hào)的信噪比很低，通常難以提取。因此，從根本上說(shuō)，對(duì)基波激勵(lì)的依賴性最終導(dǎo)致了這類方法在零速和低速下對(duì)轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)失效。

第二類無(wú)位置傳感器控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)全速范圍（包括低速甚至零速）的轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)。其基本原理是檢測(cè)電機(jī)的凸極，由于電機(jī)的凸極中含有位置信息，因此可以通過(guò)不同的勵(lì)磁方式和不同的信號(hào)檢測(cè)和分離方法，將位置信息估計(jì)出來(lái)。這樣使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在任何工況下，均可通過(guò)跟蹤凸極的辦法找到轉(zhuǎn)子位置并估算轉(zhuǎn)子速度。

適用于中、高速運(yùn)行的技術(shù)目前適用于中、高速運(yùn)行的無(wú)傳感器控制技術(shù)主要有以下幾類：磁鏈估計(jì)法、模型參考自適應(yīng)（Model Referencing Adaptive System ，MRAS ）法、狀態(tài)觀測(cè)器法、滑模變結(jié)構(gòu)法、檢測(cè)電機(jī)相電感變化的位置估計(jì)法、卡爾曼濾波法等。下面就每種估算方法的基本原理作簡(jiǎn)單的介紹并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析。

磁鏈估計(jì)法電動(dòng)機(jī)的基本控制原理是磁場(chǎng)定向控制，其關(guān)鍵是如何根據(jù)測(cè)量得到的電機(jī)電流、電壓信號(hào)來(lái)估計(jì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極位置。最新的研究方向有以下幾種：研究人員提出了一種新的電壓模型方案，以估計(jì)出的位置角為反饋量，分別估計(jì)了定子磁鏈的幅值和相位。這種方法從根本上解決了電壓模型的初始值不準(zhǔn)確和積分零漂的問(wèn)題。還有研究人員提出一種定子磁鏈優(yōu)化控制的方法，在低速時(shí)通過(guò)電流模型計(jì)算磁鏈對(duì)電壓模型磁鏈進(jìn)行補(bǔ)償，電流模型的位置信息來(lái)源于信號(hào)注入的估計(jì)值。

以上算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但在低速情況下估計(jì)精度下降。這種方法對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)依賴性較大，應(yīng)用這種方法時(shí)，最好結(jié)合電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)。1

模型參考自適應(yīng)估計(jì)法該方法是基于假定轉(zhuǎn)子位置的位置估計(jì)法。其主要思想為:先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利用電機(jī)模型計(jì)算出在該假設(shè)位置時(shí)電機(jī)的電壓或電流值，并通過(guò)與實(shí)測(cè)的電壓或電流比較得出兩者的差值，該差值正比于假設(shè)位置

與實(shí)際位置之間的角度差。如果該差值減少為零，則可認(rèn)為此時(shí)假設(shè)位置為真實(shí)位置。保證這種方法估計(jì)精度的核心是要能夠準(zhǔn)確估計(jì)位置偏差，雖然數(shù)學(xué)模型是精確的，但估計(jì)精度仍然要受電機(jī)參數(shù)變化的影響，同時(shí)要受電流檢測(cè)精度的影響，雖然采用了閉環(huán)控制，但依然沒(méi)有完全擺脫對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。1

基于狀態(tài)觀測(cè)器的位置估算法狀態(tài)觀測(cè)器的實(shí)質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，也就是重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的變量作為它的輸入信號(hào)，并使其重構(gòu)的狀態(tài) X˙(t) 在一定條件下等價(jià)于原系統(tǒng)的狀態(tài)X(t) 。等價(jià)的原則就是兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨近于零。

基于狀態(tài)觀測(cè)器的位置估算方法具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、適應(yīng)面廣等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是在低速段調(diào)速效果依然不理想，而且算法復(fù)雜，計(jì)算量大。1

滑模變結(jié)構(gòu)方法滑模變結(jié)構(gòu)控制是為控制系統(tǒng)預(yù)先在狀態(tài)空間上設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的開(kāi)關(guān)面，在系統(tǒng)變量從起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到開(kāi)關(guān)面之前，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)維持一種形式，當(dāng)系統(tǒng)變量到達(dá)開(kāi)關(guān)面后，開(kāi)始自適應(yīng)的調(diào)整律控制，最終使系統(tǒng)狀態(tài)沿著開(kāi)關(guān)面一直滑動(dòng)到平衡點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)又維持另一種形式。

滑模變結(jié)構(gòu)控制與普通控制方法的根本區(qū)別在于控制律和閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在滑移面上，具有不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的開(kāi)關(guān)特性。由于滑模面一般都是固定的，而且滑模運(yùn)動(dòng)的特性是預(yù)先設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)品質(zhì)僅取決于滑模面及其參數(shù)，因此系統(tǒng)對(duì)于參數(shù)變化和外部干擾不敏感，是一種魯棒性很強(qiáng)的控制方法，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)、外部干擾等具有很好的魯棒性。缺點(diǎn)是估計(jì)變量中含有高次諧波，盡管可以進(jìn)行濾波處理，但通常濾波會(huì)引起相位偏移。2

檢測(cè)電機(jī)相電感變化的位置估計(jì)法在內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，直軸和交軸磁阻的不同導(dǎo)致了繞組電感的變化。電感的變化可以作為位置函數(shù)用來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。

這種方法只在2000 年以前的文獻(xiàn)中見(jiàn)到過(guò)，現(xiàn)在已經(jīng)較少采用，這種算法位置估計(jì)精度依賴于電感的計(jì)算精度。當(dāng)電感計(jì)算有較大誤差時(shí)，位置估計(jì)誤差也較大。2

基于卡爾曼濾波卡爾曼濾波器是由美國(guó)學(xué)者R.E.Kalman 在20世紀(jì)60 年代初提出的一種最優(yōu)線性估計(jì)算法，其特點(diǎn)是考慮了系統(tǒng)的模型誤差和測(cè)量噪聲的統(tǒng)計(jì)特性?？柭鼮V波器的算法采用遞推形式，適合在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF 是非線性和隨機(jī)的，不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力，還可以更好地抑制測(cè)量和擾動(dòng)噪聲?；贓KF 的觀測(cè)器，可以直接得到定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子位置的估計(jì)值?？柭鼮V波的關(guān)鍵是選擇系數(shù)值以獲得可能的最好的位置估計(jì)性能?？柭鼮V波方法計(jì)算強(qiáng)度大，濾波器很難確定實(shí)際系統(tǒng)的噪聲水平和算法中的卡爾曼增益；由于數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，擴(kuò)展卡爾曼濾波器的位置估計(jì)法可以在線地觀測(cè)速度和轉(zhuǎn)子位置。2

適用于零速和低速的技術(shù)目前，可查到的零速和低速電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制方法中，只有一種方法不依賴于電機(jī)的凸極檢測(cè)，它是利用電機(jī)定子鐵心的非線性飽和特性。適用于零速和低速運(yùn)行的無(wú)傳感器技術(shù)的最新研究方向不是基本原理上的創(chuàng)新，而是依靠不同的勵(lì)磁方法以及不同的信號(hào)檢測(cè)和分離方法而得以創(chuàng)新。

因此，可以按勵(lì)磁方法和檢測(cè)信號(hào)的不同，將適用于零速和低速的無(wú)傳感器技術(shù)分為以下幾類。

只適用于初始位置估計(jì)的無(wú)傳感器技術(shù)這類方法能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)初始位置的檢測(cè)，缺點(diǎn)是算法的計(jì)算過(guò)程太慢，只適合初始位置的估計(jì)，不適合低速和高速無(wú)傳感器運(yùn)行。這些方法在最新的文獻(xiàn)上已經(jīng)很少提及。2

基于脈動(dòng)矢量勵(lì)磁和高頻阻抗測(cè)量位置估計(jì)Jung Ik Ha 等人最早提出基于脈動(dòng)矢量勵(lì)磁和高頻阻抗測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的磁極位置估算。這種方法基于檢測(cè)電機(jī)的凸極，通過(guò)將脈動(dòng)矢量注入到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸，由此產(chǎn)生 IPMSM（永磁同步電動(dòng)機(jī)） 的高頻阻抗，高頻阻抗中包含轉(zhuǎn)子位置，因此通過(guò)對(duì)高頻阻抗的測(cè)量和處理，可以提取出轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)。這種方法比前兩種方法具有優(yōu)勢(shì)，它既可以在零速運(yùn)行，又能在低速運(yùn)行，只是在高速時(shí)不能可靠地工作，且只適用于 IPMSM。另外，還需要一個(gè)位置預(yù)先估計(jì)值，用于實(shí)現(xiàn)注入信號(hào)從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換。優(yōu)點(diǎn)是不依賴電機(jī)的參數(shù)，對(duì)環(huán)境和測(cè)量誤差不敏感。2

基于旋轉(zhuǎn)矢量勵(lì)磁和電流解調(diào)技術(shù)方法這種方法是目前應(yīng)用得最多的一種零速和低速無(wú)傳感器控制方法，它是由Robert D. Lorenz 教授等人提出的。這種方法通過(guò)旋轉(zhuǎn)矢量勵(lì)磁和解調(diào)電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，勵(lì)磁信號(hào)注入到定子參考坐標(biāo)系的α 軸和β 軸上。

這種方法有三個(gè)基本特點(diǎn): 電機(jī)具有確定的空間凸極；需要連續(xù)的勵(lì)磁；需要具有高帶寬的噪聲濾波器。

通常這三個(gè)基本特征可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致了以此為基礎(chǔ)的研究方法及相應(yīng)問(wèn)題的改進(jìn)，目前此類方法的研究主要集中在信號(hào)的提取上，以及由此產(chǎn)生的不同觀測(cè)方法 。

高頻信號(hào)注入法是解決低速及零速時(shí)高性能無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)的一種比較好的方法。這種方法能在零速和低速時(shí)運(yùn)行，而且對(duì)電機(jī)參數(shù)變化完全不敏感，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息，這是因?yàn)樾盘?hào)直接注入到定子坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸中，不需要進(jìn)行注入信號(hào)從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換，具有很好的動(dòng)態(tài)性能。缺點(diǎn)是需要電機(jī)有一定程度的凸極，因此，只適用于具有凸極的內(nèi)埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)。2

復(fù)合控制方法復(fù)合控制方法就是適用于中、高速運(yùn)行的無(wú)傳感器控制技術(shù)和零速和低速電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制方法的組合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)全速范圍的速度調(diào)節(jié)，是目前無(wú)傳感器控制領(lǐng)域中最活躍的方向，基本上現(xiàn)存的全速范圍無(wú)傳感器控制系統(tǒng)中都采用了復(fù)合控制方法。目前，從文獻(xiàn)中可查的主要有以下幾種組合：

（1 ）信號(hào)注入+反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)

（2 ）信號(hào)注入+卡爾曼濾波法。

（3 ）信號(hào)注入+MRAS 。

（4 ）信號(hào)注入+磁鏈觀測(cè)法。

以上四種復(fù)合控制方法都是綜合考慮兩類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采取揚(yáng)長(zhǎng)避短的策略，在低速區(qū)，采用高頻信號(hào)注入方法或是帶修正高頻信號(hào)誤差的復(fù)合算法，充分利用高頻信號(hào)注入法對(duì)參數(shù)變化不敏感，能在低速甚至零速時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置的優(yōu)點(diǎn)；在高速區(qū)，采用適用于中高速的無(wú)傳感器控制方案。

復(fù)合控制方法的重點(diǎn)和難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)兩種方法的平滑切換并確保固有的電機(jī)運(yùn)行性能。2