[科普中國]-無感測器控制

簡介定義

無感測器控制又稱無傳感器控制、無感應(yīng)器控制等。為了實現(xiàn)電機的高精度、高動態(tài)性能控制，需要知道轉(zhuǎn)子的位置和速度。一般通過安裝機械式傳感器來實現(xiàn)。傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本，無傳感器控制技術(shù)克了服使用機械傳感器給系統(tǒng)帶來的缺陷，擴大了永磁同步電動機在一些特殊場合的應(yīng)用范圍。

分類根據(jù)無傳感器PMSM 轉(zhuǎn)子位置自檢測方法在不同速度區(qū)間的估算效果，可以把所有的無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。

第一類無位置傳感器控制方法適用于運行在中、高速范圍內(nèi)的調(diào)速傳動系統(tǒng)。這類方法依賴電動機基波激勵模型中與轉(zhuǎn)速有關(guān)的量（如產(chǎn)生的反電動勢）進行轉(zhuǎn)子位置和速度估算，由于電動機運行在零速和極低速時，有用信號的信噪比很低，通常難以提取。因此，從根本上說，對基波激勵的依賴性最終導(dǎo)致了這類方法在零速和低速下對轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測失效。

第二類無位置傳感器控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)電動機全速范圍（包括低速甚至零速）的轉(zhuǎn)子位置和速度檢測。其基本原理是檢測電機的凸極，由于電機的凸極中含有位置信息，因此可以通過不同的勵磁方式和不同的信號檢測和分離方法，將位置信息估計出來。這樣使得電動機運行在任何工況下，均可通過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、高速運行的技術(shù)目前適用于中、高速運行的無傳感器控制技術(shù)主要有以下幾類：磁鏈估計法、模型參考自適應(yīng)（Model Referencing Adaptive System ，MRAS ）法、狀態(tài)觀測器法、滑模變結(jié)構(gòu)法、檢測電機相電感變化的位置估計法、卡爾曼濾波法等。下面就每種估算方法的基本原理作簡單的介紹并對其優(yōu)缺點進行總結(jié)分析。

磁鏈估計法電動機的基本控制原理是磁場定向控制，其關(guān)鍵是如何根據(jù)測量得到的電機電流、電壓信號來估計電動機的轉(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，以估計出的位置角為反饋量，分別估計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確和積分零漂的問題。還有研究人員提出一種定子磁鏈優(yōu)化控制的方法，在低速時通過電流模型計算磁鏈對電壓模型磁鏈進行補償，電流模型的位置信息來源于信號注入的估計值。

以上算法的優(yōu)點是計算量小、簡單、易于實現(xiàn)，但在低速情況下估計精度下降。這種方法對電動機的參數(shù)依賴性較大，應(yīng)用這種方法時，最好結(jié)合電機參數(shù)的在線辨識。1

模型參考自適應(yīng)估計法該方法是基于假定轉(zhuǎn)子位置的位置估計法。其主要思想為:先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利用電機模型計算出在該假設(shè)位置時電機的電壓或電流值，并通過與實測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

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

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

基于狀態(tài)觀測器的位置估算方法具有動態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、適應(yīng)面廣等特點。缺點是在低速段調(diào)速效果依然不理想，而且算法復(fù)雜，計算量大。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)計一個特殊的開關(guān)面，在系統(tǒng)變量從起始點運動到開關(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)變量到達開關(guān)面后，開始自適應(yīng)的調(diào)整律控制，最終使系統(tǒng)狀態(tài)沿著開關(guān)面一直滑動到平衡點，此時系統(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)隨時間變化的開關(guān)特性。由于滑模面一般都是固定的，而且滑模運動的特性是預(yù)先設(shè)計的，系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)品質(zhì)僅取決于滑模面及其參數(shù)，因此系統(tǒng)對于參數(shù)變化和外部干擾不敏感，是一種魯棒性很強的控制方法，并且結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速，對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動、外部干擾等具有很好的魯棒性。缺點是估計變量中含有高次諧波，盡管可以進行濾波處理，但通常濾波會引起相位偏移。2

檢測電機相電感變化的位置估計法在內(nèi)埋式永磁同步電動機中，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)用來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。

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

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

擴展卡爾曼濾波器（EKF 是非線性和隨機的，不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力，還可以更好地抑制測量和擾動噪聲?；贓KF 的觀測器，可以直接得到定子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)子位置的估計值?？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性能?？柭鼮V波方法計算強度大，濾波器很難確定實際系統(tǒng)的噪聲水平和算法中的卡爾曼增益；由于數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，擴展卡爾曼濾波器的位置估計法可以在線地觀測速度和轉(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機無傳感器控制方法中，只有一種方法不依賴于電機的凸極檢測，它是利用電機定子鐵心的非線性飽和特性。適用于零速和低速運行的無傳感器技術(shù)的最新研究方向不是基本原理上的創(chuàng)新，而是依靠不同的勵磁方法以及不同的信號檢測和分離方法而得以創(chuàng)新。

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

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

基于脈動矢量勵磁和高頻阻抗測量位置估計Jung Ik Ha 等人最早提出基于脈動矢量勵磁和高頻阻抗測量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的磁極位置估算。這種方法基于檢測電機的凸極，通過將脈動矢量注入到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸，由此產(chǎn)生 IPMSM（永磁同步電動機） 的高頻阻抗，高頻阻抗中包含轉(zhuǎn)子位置，因此通過對高頻阻抗的測量和處理，可以提取出轉(zhuǎn)子磁極位置信號。這種方法比前兩種方法具有優(yōu)勢，它既可以在零速運行，又能在低速運行，只是在高速時不能可靠地工作，且只適用于 IPMSM。另外，還需要一個位置預(yù)先估計值，用于實現(xiàn)注入信號從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換。優(yōu)點是不依賴電機的參數(shù)，對環(huán)境和測量誤差不敏感。2

基于旋轉(zhuǎn)矢量勵磁和電流解調(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。這種方法通過旋轉(zhuǎn)矢量勵磁和解調(diào)電流信號來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計，勵磁信號注入到定子參考坐標(biāo)系的α 軸和β 軸上。

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

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

高頻信號注入法是解決低速及零速時高性能無傳感器驅(qū)動的一種比較好的方法。這種方法能在零速和低速時運行，而且對電機參數(shù)變化完全不敏感，另一個優(yōu)點是不需要預(yù)先估計轉(zhuǎn)子位置信息，這是因為信號直接注入到定子坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸中，不需要進行注入信號從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換，具有很好的動態(tài)性能。缺點是需要電機有一定程度的凸極，因此，只適用于具有凸極的內(nèi)埋式永磁同步電動機。2

復(fù)合控制方法復(fù)合控制方法就是適用于中、高速運行的無傳感器控制技術(shù)和零速和低速電動機無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，從文獻中可查的主要有以下幾種組合：

（1 ）信號注入+反電動勢估計

（2 ）信號注入+卡爾曼濾波法。

（3 ）信號注入+MRAS 。

（4 ）信號注入+磁鏈觀測法。

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，采取揚長避短的策略，在低速區(qū)，采用高頻信號注入方法或是帶修正高頻信號誤差的復(fù)合算法，充分利用高頻信號注入法對參數(shù)變化不敏感，能在低速甚至零速時準確地檢測轉(zhuǎn)子的位置的優(yōu)點；在高速區(qū)，采用適用于中高速的無傳感器控制方案。

復(fù)合控制方法的重點和難點是如何實現(xiàn)兩種方法的平滑切換并確保固有的電機運行性能。2