引言

pmsm因其高轉(zhuǎn)矩慣性比、高能量密度、高效率等固有特點廣泛應(yīng)用于航空航天、電動車、工業(yè)伺服等領(lǐng)域。伴隨著高性能磁性材料、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，特別是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制策略的提出，使得pmsm調(diào)速系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展。pmsm矢量控制效法直流電機通過轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量解耦控制獲得了優(yōu)良動靜態(tài)性能。打破了高性能電力傳動領(lǐng)域直流調(diào)速系統(tǒng)一家獨大的局面，并逐步邁進交流調(diào)速系統(tǒng)時代。

高性能pmsm控制系統(tǒng)依賴于可靠的傳感器裝置和精確的檢測技術(shù)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)多采用光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等機械傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置信息。但是機械傳感器安裝維護困難，不但增加了系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)復雜度，而且影響了系統(tǒng)動靜態(tài)性能，降低了系統(tǒng)魯棒性和可靠性。pmsm矢量控制系統(tǒng)性能往往受限于機械傳感器精度和響應(yīng)速度，而高精度、高分辨率的機械傳感器價格昂貴，不但提高了驅(qū)動控制系統(tǒng)成本，還限制了驅(qū)動裝置在惡劣條件下的應(yīng)用。機械傳感器低成本、高精度、高可靠性的自身矛盾根本的解決方法就是去掉機械傳感器而采取無傳感器技術(shù)。因此，pmsm無傳感器控制技術(shù)的研究迅速成為熱點。

pmsm國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外在20世紀70年代就開展無傳感器控制技術(shù)的研究工作。在其后的20多年里，國內(nèi)外學者對交流電機的無傳感器運行進行了廣泛的研究并提出了很多方法。這些研究成果使得無傳感器控制的電機驅(qū)動系統(tǒng)能夠應(yīng)用于更多的工業(yè)領(lǐng)域中。

pmsm無傳感器技術(shù)主要兩個發(fā)展階段：第一代采用無傳感器矢量控制技術(shù)的交流電動機經(jīng)過近10年的研究和原型機試驗已經(jīng)出現(xiàn)在市場上。第一代無傳感器電動機的調(diào)速精度不高，可以正常工作的速度范圍也有限，在低速、零速時，機械特性很軟且誤差變得很大，無法進行調(diào)速。第一代無傳感器技術(shù)還很不完善，因此限制了它的使用范圍。現(xiàn)在正在研制的是第二代無傳感器技術(shù)，人們預計將能有更高的精度且在零速時也能進行完全的轉(zhuǎn)矩控制，可與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)相媲美。第二代無傳感器技術(shù)預期的應(yīng)用領(lǐng)域與第一代無傳感器技術(shù)基本相同，但有更好的動態(tài)特性。

pmsm無傳感器控制技術(shù)綜述

pmsm無傳感器技術(shù)自榮獲國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注之后，研究進展很快，已取得階段性成果，部分技術(shù)已實用化。從pmsm自身特點的深入挖掘到眾多現(xiàn)代控制理論的引用，pmsm無傳感器控制理論正不斷的推陳出新。現(xiàn)對pmsm無傳感器控制主流理論綜述如下。

基于pmsm基本電磁關(guān)系估計方法

pmsm基本控制思想是實現(xiàn)磁場定向控制，無論是控制電壓、電流或頻率其控制性能的優(yōu)劣最終還是取決于對磁場的控制好壞。基于pmsm基本電磁關(guān)系的無傳感器技術(shù)著眼于pmsm定子磁鏈空間矢量方程、定子電壓矢量方程等，通過檢測電機電流、電壓估計所含轉(zhuǎn)子信息的物理量如磁鏈、感應(yīng)電動勢等以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計。基于pmsm基本電磁關(guān)系的無傳感器方法有開環(huán)和閉環(huán)兩種方式。采用定子電壓矢量方程估計出感應(yīng)電動勢，進而以反正切函數(shù)估算出轉(zhuǎn)子位置方法通常為開環(huán)形式。而采用定子磁鏈空間矢量方程首先用電壓矢量積分計算出定子磁鏈矢量，然后通過快速迭代計算出等效同步電感，進而估計出轉(zhuǎn)子位置信息的方法有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。其優(yōu)點是計算量小、簡單、易于實現(xiàn)。但是由于該方法是基于pmsm數(shù)學模型，雖然可以選取不同的數(shù)學模型，但無論采用什么數(shù)學模型，都涉及電機參數(shù)。電機參數(shù)如定子電阻隨溫度變化，電感隨電機負載和磁路飽和程度變化，均影響估計準確性。因此，應(yīng)用該方法最好結(jié)合電機參數(shù)在線辨識。

假定旋轉(zhuǎn)坐標法

假定旋轉(zhuǎn)坐標法著眼于兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下pmsm數(shù)學模型電壓方程，提出可控參考坐標用于無傳感器控制，該坐標稱為估計坐標。它不是同步旋轉(zhuǎn)坐標，而是定向于已知的估計位置，并且可按確定控制規(guī)律自行調(diào)整坐標。具體為以檢測電壓、電流估算位置偏差，通過pll調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)位置偏差估計使得假轉(zhuǎn)子位置與實際轉(zhuǎn)子位置趨于一致。該方法保證其估計精度核心是準確估計位置偏差，雖然數(shù)學模型是精確地，但估計精度仍然受電機參數(shù)變化影響，同時也受電流檢測精度影響，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。該方法本質(zhì)上也是基于反電動勢的一種估計方法。因此，難以應(yīng)用于靜止和低速運行的無傳感器控制中。盡管如此，該方法所構(gòu)成的控制系統(tǒng)相對簡單，由于采用了pll調(diào)節(jié)器，提高了系統(tǒng)的估計精度和穩(wěn)定性，并能獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（mras）基本思想是將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，將含有估計參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，兩模型不但具有相同輸入量，而且具有相同物理意義的輸出量。并同時工作，利用輸出量差值根據(jù)合適的自適應(yīng)規(guī)律，以實時調(diào)節(jié)估計參數(shù)，達到可調(diào)模型跟蹤參考模型的目的。根據(jù)參考模型與可調(diào)模型的不同選擇，可以構(gòu)造多種模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識模型。最常用的方法基于反電勢的mras算法，其優(yōu)點是系統(tǒng)性完全取決于參考模型。但其缺點是在低速時，對定子電阻敏感，導致轉(zhuǎn)速辨識不準甚至發(fā)散，同樣無法解決低速問題。

基于觀測器技術(shù)的位置辨識方法

觀測器實質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，即重新構(gòu)造一個系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測量的變量作為他的輸入信號，并使其重構(gòu)狀態(tài)在一定條件下等價于原系統(tǒng)狀態(tài)。等價的原則為兩者的誤差在動態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨于零。這個用以實現(xiàn)重構(gòu)的系統(tǒng)稱為觀測器。

觀測器按信號類型分為確定性觀測器和隨機性觀測器，按系統(tǒng)分為線性觀測器和非線性觀測器。觀測器基本結(jié)構(gòu)是由電機數(shù)學模型所構(gòu)成狀態(tài)估計方程加之以校正環(huán)節(jié)，兩者構(gòu)成閉環(huán)的狀態(tài)估計，即觀測器。電氣領(lǐng)域?qū)W者汲取世界眾多科學領(lǐng)域理論成果，結(jié)合各學科前沿思想創(chuàng)造性融入觀測器理論之中，形成諸多有價值不同控制思想的觀測器。在pmsm無傳感器技術(shù)中常采用自適應(yīng)全階觀測器、擴展卡爾曼濾波器（ekf）和滑模觀測器（smo）。

（1）自適應(yīng)全階觀測器

自適應(yīng)觀測器是融自適應(yīng)控制于觀測器理論的一種無傳感器技術(shù)。基本思想是將自適應(yīng)控制引入觀測器結(jié)構(gòu)的校正環(huán)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制。pmsm自適應(yīng)全階觀測器首先以pmsm兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓方程構(gòu)建電流觀測器。然后以經(jīng)過標準化處理的pmsm數(shù)學模型作為參考模型。以構(gòu)建的電流觀測器為可調(diào)模型，用兩個模型輸出誤差驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)。在自適應(yīng)規(guī)律作用下，能夠不斷地修正待估參數(shù)，以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應(yīng)觀測器不僅可以用來估計pmsm轉(zhuǎn)子位置和速度，而且是基于波波夫穩(wěn)定性理論辨識電機參數(shù)，減少了參數(shù)變化的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

（2）擴展卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波器同樣也觀測器的一種。是卡爾曼濾波思想在觀測器理論的應(yīng)用。擴展卡爾曼濾波器同其他觀測器一樣，能夠跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，其所不同的是它是非線性的、隨機的。ekf狀態(tài)估計分為兩大階段：預測階段和校正階段。在預測階段由上一次估計所得結(jié)果推算下一次估計的預測值。在校正階段為利用實際輸出和預測輸出偏差對預測值進行反饋校正。卡爾曼濾波實質(zhì)就是對預測值反饋校正。因此，不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力，而且可以更好地抑制測量噪聲和系統(tǒng)噪聲。但是ekf濾波器缺點在于系統(tǒng)測量噪聲和系統(tǒng)噪聲的未知，帶來的問題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協(xié)方差矩陣。一般采用試湊法選擇協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣關(guān)系到系統(tǒng)動態(tài)性能及其穩(wěn)定性。因此，協(xié)方差矩陣的確定關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定與否顯得至關(guān)重要。

（3）滑模觀測器

滑模觀測器是滑模變結(jié)構(gòu)控制在觀測器理論的一種應(yīng)用。其特點是性能完全由其滑模超平面決定，過渡過程不會產(chǎn)生超調(diào)，整個系統(tǒng)對本身參數(shù)變化及外部擾動均具有較強的穩(wěn)健性。基本思想是首先根據(jù)pmsm數(shù)學模型建立滑模電流觀測器，選擇滑模觀測器觀測電流與實際電流偏差為滑模超平面，該偏差經(jīng)砰砰控制，估算出含高次諧波的感應(yīng)電動勢構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，含有高次的感應(yīng)電動勢經(jīng)濾波后計算得出位置和轉(zhuǎn)速。估計變量中含有高次諧波是滑模觀測器的不足之處，這影響了高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，盡管可以進行濾波處理，但通常方式的濾波會引起相位偏差。如前所述卡爾曼濾波器可以考慮噪聲對系統(tǒng)的影響，可以將滑模觀測器與卡爾曼濾波有效結(jié)合，成分發(fā)揮卡爾曼濾波的長處，構(gòu)成更加完善的觀測器。

基于pmsm電機特性估計方法

pmsm無傳感器技術(shù)多數(shù)基于感應(yīng)電動勢得以估計轉(zhuǎn)子位置。但當轉(zhuǎn)速很低或零速時，感應(yīng)電動勢趨于零，轉(zhuǎn)子磁極位置難于精確估計，甚至無法估計。高頻信號注入法是基于pmsm電機特性——凸極性以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置的觀測，具有很大優(yōu)勢，其主要方法有旋轉(zhuǎn)電壓矢量法和脈動電壓矢量法。

（1）旋轉(zhuǎn)電壓矢量法

旋轉(zhuǎn)電壓注入法是向插入式pmsm電機注入三相對稱的高頻正弦電壓信號，在電機內(nèi)會產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，空間電壓矢量在電機內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制，調(diào)制結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上，定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流，進行解調(diào)處理后就可以從中提取出相關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息，以此構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。是目前十分受關(guān)注的一種無傳感器控制方法。

（2）脈動電壓矢量法

脈動電壓注入法是向永磁同步電機注入脈動電壓矢量，脈動電壓矢量與勵磁磁場疊加，這會改變勵磁磁路的飽和程度，使勵磁磁路具有凸極性，這種凸極特性對脈動電壓矢量產(chǎn)生調(diào)制作用，這種調(diào)制作用隨著脈動電壓偏離勵磁磁極軸線變化而變化，這種變化反映在高頻電流響應(yīng)中，因此在這個電流響應(yīng)中便會載有轉(zhuǎn)子位置估計誤差的信息。

兩者均利用電機的凸極特性調(diào)制，但是旋轉(zhuǎn)電壓注入法的凸極性是屬于結(jié)構(gòu)性凸極，即應(yīng)用于插入式pmsm。而脈動電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極，結(jié)構(gòu)性凸極對高頻電壓調(diào)制作用微弱。即可應(yīng)用于面裝式pmsm，而旋轉(zhuǎn)電壓注入法卻不能。兩種方法均適用于低速估計，也可用于初始位置估計，均利用pmsm的凸極性，而不依賴于電機的數(shù)學模型和參數(shù)。脈動電壓輸入法特點在于不依賴于電機參數(shù)和運行狀態(tài)，可以工作在全速域內(nèi)，甚至零速狀態(tài)下。

基于人工智能理論的估算方法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能理論估算轉(zhuǎn)子位置方法是以mras為大背景而提出，目的在于利用其模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的簡單，穩(wěn)定，改善mras在低速區(qū)速度估計精度并提高其對電機參數(shù)敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展和完善，研究無傳感器技術(shù)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代pmsm電流模型轉(zhuǎn)子觀測器，并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應(yīng)進行位置估計。網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出具有明確的物理意義。網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為電機參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的學習過程就是速度和位置估計過程。極具理論意義，但其理論研究尚不成熟，硬件實現(xiàn)也有一定的困難。現(xiàn)智能控制理論如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制在電力傳動領(lǐng)域應(yīng)用方面論文屢有發(fā)表，但實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化尚有一段距離。

pmsm無傳感器控制技術(shù)發(fā)展趨勢

pmsm無傳感器控制是目前pmsm控制理論發(fā)展方向，其理論成果拓寬了pmsm應(yīng)用領(lǐng)域。pmsm無傳感器控制基本思想都是通過檢測電壓、電流引用相應(yīng)控制理論實現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息的估計。但尚無一種pmsm無傳感器控制可實現(xiàn)pmsm系統(tǒng)全速運行。一方面由于高頻信號注入法在零低速領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢，使其有望成為pmsm系統(tǒng)全速運行的一種方法，但是由于高頻信號注入法本身帶來的一些問題尚需更進一步的研究，是眾多學者專攻的一個方向。另一方面人們基于觀測器分析方法引入現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制以及非線性控制形成眾多無傳感器控制方法，每一種控制方法都有其自身優(yōu)點，同時也存在一些問題，單一的控制很難取得理想的控制效果，探討將各種控制互相滲透和復合可以更好的提高無傳感控制性能是未來無傳感器控制技術(shù)的發(fā)展方向。

結(jié)語

本文綜述pmsm無傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析比較pmsm無傳感器控制技術(shù)各種方法優(yōu)缺點，指明pmsm無傳感器控制技術(shù)研究重點和所要解決的問題，預測pmsm無傳感器控制技術(shù)未來發(fā)展方向：一是以高頻信號注入法的零低速領(lǐng)域拓展到全速領(lǐng)域的研究方向；二是以基于觀測器的各種現(xiàn)代控制理論結(jié)合和滲透的研究方向。