无速度传感器永磁同步电机发展与控制策略评述潘萍付子义中图分类号：ＴＭ３５１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－６８４８（２００７）０６－００９１－０２ＴＭ３４４．４无速度传感器永磁同步电机发展与控制策略评述潘萍，付子义（河南理工大学，焦作４５４００３）摘要：介绍了永磁同步电机无速度传感器控制策略，分析了无速度传感器技术研究现状，指出状态观测器法及谐波注入法是目前无速度传感器技术的研究热点。关键词：永磁同步电机；无速度传感器；评述；控制策略；状态观测器；谐波注入法ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＲｅｎｅｗａｎｄＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭ＿ａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏＯｒＳｐｅｅｄＳｅｎｓｏｒｌｅｓｓＰＡＮＰｉｎｇ，ＦＵＺｉ—ｙｉ（ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３，Ｃｈｉｎａ）ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ．Ｉｔａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｏｆｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｔａｔｅｏｂｓｅｒｖｅｒａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ；Ｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；Ｒｅｖｉｅｗ；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ；Ｓｔａｔｅｏｂｓｅｒｖｅｒ；ＨａｒｍｏｎｉｃｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄＯ 引言在无速度传感器控制领域作出首次尝试，调速比可达１０：ｌ。但由于其出发点是稳态方程，动态性能和调速精度难以保证。１９７９年，Ｍ．Ｉｓｈｉｄａ等学者利用转子齿谐波来检测转速，限于当时的检测技术和控制芯片的实时控制能力，仅在大于３００ｒ／永磁同步电机控制系统离不开高精度的位置和速度传感器，但在实际的系统中，传感器的存在不仅增加了系统成本，还易受工作环境影响，同时也降低了系统的可靠性，因此，无速度传感器交流调速系统成为近年研究热点¨ｊ。ｒａｉｎ的转速范围取得较好的结果。１９８３年Ｒ．Ｊｏｅｔｔｅｎ首次将无速度传感器技术应用于永磁同步电机矢量控制。近年来，德国亚探工大（ＲＷＴＨ１无速度传感器永磁同步电机研究及发展无速度传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量，如定子电压、定子电流中提取出与速度有关的量，从而得出转子速度，并应用到速度反馈控制系统中。国际上对永磁同步电机无速度传感器的研究始于２０世纪７０年代旧Ｊ。１９７５年，Ａ．Ａｂｂｏｎｄａｎｔｉ等人推导出了基于稳态方程的转差频率估计方法，Ａａｃｈｅｎ）电机研究所的学者又先后开展了采用推广卡尔曼滤波器的永磁同步电机和感应电机无机械传感器调速系统的研究。美国麻省理工学院（ＭＩＴ）电机工程系的学者在１９９２年发表了采用全阶状态观测器的无传感器永磁同步电机调速系统的论文。由于状态观测器受电机参数变化的影响较大，还需要另外一个状态观测器来估计电机的参数，这样使无传感器永磁同步调速系统的估计算法变得比较复杂，同时系统还存在对负载变化比较敏感等问题。国内自９０年代中开始，也开始对永磁电机无速度传感器控制技术进行研究，但主要局限于各高等院校，研究主要还是着重于理论和仿真方面。收稿日期：２００６—０９－２６基金项目：河南省杰出青年科学基金（０２１１０６０５００）；河南省重要攻关项目（９９１１０２０４２９）一９１—万方数据微电机２００７年第４０卷第６期（总第１６２期）２无速度传感器永磁同步电机控制策略【１４１２．１基于基本电磁关系的估算方法１）直接计算方法利用检测到的定子三相端电压和电流计算出转子位置角和转子角速度，是最简单、最直接的方法，动态响应几乎没有什么延迟，但它对电机参数的准确性要求比较高；随着电机运行状况的变化，电机参数会发生一定的变化，导致转速和位置的估算值偏离真实值；这种方法没有补偿或校正环节，因此应用这种方法时最好结合电机参数的在线辨识。２）基于反电动势或定子磁链的估算方法利用计算反电动势来估算转子位置和速度仅依赖于电机的基波方程，实施起来较简单。但当转速较低时，反电动势的值也很小，所以这种方法在低速时误差很大。也可以通过计算定子磁链来估计转速和转子位置，磁链由反电动势积分求得，但是由于积分器的零漂问题，这样得到的磁链的值会有积分误差，因此需要引入误差补偿环 节，使得估算的磁通和实际值相等。２．２模型参考自适应方法此方法是将含有待估计参数的方程作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，并利用其输出量的差值根据合适的自适应率来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。据稳定性原理得到速度估计自适应公式，系统和速度的渐进收敛性由Ｐｏｐｏｖ的超稳定性来保证。这种方法应用于ＰＭＳＭ尚有一些新的需要解决的问题。２．３基于各种观测器的估算方法近年来，随着微型计算机技术的迅速发展，出现了高性能的微处理芯片和数字信号处理器（ＤＳＰ），大大地推动了这一方法在永磁同步电机无速度传感器控制系统中的应用，其中比较有代表性的是扩展卡尔曼滤波器。它提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量量的微分计算。由于这种方法建立在对误差的测量噪声和统计特性的基础上，对实验样机的参数要求较高，系统的鲁棒性也没有改进，而计算量很大，实用一９２一万方数据性并不强。２．４高频注入方法Ｌｏｒｅｎｚ等学者通过在电机的接线端上注入一个三相平衡的高频电压信号，利用人为造成的不对称性，使电机产生一个不对称的凸磁极，通过对凸磁极位置的检测来获取转子位置信息。此法不依赖于任何电机的参数和运行工况，因而可能工作在极低速，并且系统的计算工作量并不大，是比较理想的方法之一。其最大的缺点就是要制造电机凸磁极。２．５基于人工神经元网络估算方法该方法利用神经元网络进行辨识。目前神经元网络的方法还处于理论研究阶段，离实用化还有一段路要走，随着智能控制理论的应用日益成熟，会给交流传动领域带来性的变化。３展望随着微控制器的发展，对永磁同步电机无速度传感器调速系统的研究，使复杂的计算与控制得以实现，大大简化了硬件结构，降低了成本，提高了控制和计算精度，普遍受到国际和国内的重视。目前，对永磁同步电动机的无速度传感器调速方法的研究中状态观测器法（比如：Ｌｕｅｎｂｅｒｇｅｒ法、滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波法等）和谐波注入法（主要用于低速调速范围）具有好的发展前景。参考文献［１］Ｍ．Ｓｃｈｒｏｅｄｌ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏ－ｎＯＵＳｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔ．Ｍａｃｈ．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔ．，１９９４，２２（２）：１７３．１８５．［２］梁艳，李永东．无传感器永磁同步电机矢量控制系统概述［Ｊ］．电气传动，２００３，（４）：４＿９．［３］ＭｉｎｇｈｕａＦｕ，ＬｏｎｇｙａＸｕ．ＡＮｏｖｅｌＳｅｎｓｏｄｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ＵｓｉｎｇＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）［Ｊ］．ＩＥＥＥＡｅｒｏｓｐａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｕｅｎｅｅ，１９９７，（１）：４０３－４０８．［４］ＬｏｗＴＳ，ｌｅｅＴＨ，ＣｈａｎｇＫＴ．ＡＮｏｎｌｉｎｅａｒＳｐｅｅｄＯｂｓｅｒｖｅｒｆｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｉｎｄ．１９９３，４０（３）：３０７—３１６．作者简介：潘萍，女，河南信阳人，在读硕士研究生，从事直线电机理论与控制研究。
