面向高效電機(jī)控制的無傳感器矢量控制技術(shù)繼續(xù)發(fā)展

面向電機(jī)和功率級動態(tài)特性的高級建模技術(shù)可以大幅提高電機(jī)控制效率，確保根據(jù)系統(tǒng)行為的實時變動實行精密控制。通過無傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計人員可以增強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)的性能，降低功耗，并且符合旨在提高能效的新法規(guī)要求。基于新一代數(shù)字信號處理技術(shù)的新型電機(jī)控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的運用。

在過去十年中，隨著永磁體材料的不斷發(fā)展和勘測到的資源越來越容易開采，采用永磁體同步電機(jī)(PMSM)的工業(yè)應(yīng)用高性能變速電機(jī)越來越多。使用PMSM驅(qū)動的先天優(yōu)勢包括：高扭矩重量比、高功率因數(shù)、響應(yīng)更快、結(jié)實耐用的構(gòu)造、易于維護(hù)、易于控制以及高效率。高性能速度
和/或位置控制要求準(zhǔn)確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，使相位激勵脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。 因而電機(jī)軸上需安裝絕對編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器等速度和位置傳感器。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器會帶來多種弊端，例如：可靠性遞減，易受噪聲影響，成本和重量增加，以及驅(qū)動系統(tǒng)更復(fù)雜
等。無傳感器矢量控制則不需要速度/位置傳感器，因而這些問題也就不復(fù)存在。

近年來，關(guān)于PMSM的無傳感器速度和位置控制方法，研究文獻(xiàn)中提出多種解決方案。 針對PMSM驅(qū)動的無傳感器轉(zhuǎn)子位置估計，已開發(fā)出三種基本技術(shù)：

?基于反電動勢(BEMF)估計的各種技術(shù)
?基于狀態(tài)觀測器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的技術(shù)
?基于實時電機(jī)建模的其他技術(shù)

反電動勢技術(shù)

基于反電動勢技術(shù)的位置估計根據(jù)電壓和電流估計磁通量和速度。在較低速度范圍內(nèi)，這種技術(shù)對定子電阻特別敏感。由于機(jī)器的反電動勢很小，并且開關(guān)設(shè)備的非線性特征會產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，因此很難得到關(guān)于機(jī)器終端的實際電壓信息。在中高速范圍內(nèi)，利用反電動勢方法可以獲得較
好的位置估計，但在低速范圍內(nèi)則不行。

反電動勢電壓的幅度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成比例，因此靜止時無法估計初始位置。所以，從未知轉(zhuǎn)子位置啟動可能伴隨著暫時反向旋轉(zhuǎn)，或者可能導(dǎo)致啟動故障。EKF能夠?qū)﹄S機(jī)噪聲環(huán)境中的非線性系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)估計，因而對于PMSM的速度和轉(zhuǎn)子位置估計，似乎是可行且具計算效率的候選方法。

基于空間顯著性跟蹤的技術(shù)利用磁顯著性，適合零速工作，可以估計初始轉(zhuǎn)子位置，而不會受其它參數(shù)影響。針對初始轉(zhuǎn)子位置，主要有兩種基本方法，分別基于脈沖信號注入和正弦載波信號注入。

我們看一個例子。

圖1為無傳感器矢量控制方案的框圖，其中不含位置傳感器?？驁D中，軸間控制的正饋項Vds_和Vqs_可以表示為：

其中，ωr
為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
只看內(nèi)置式PMSM (IPMSM)的標(biāo)準(zhǔn)電壓公式，坐標(biāo)系可以表
示為：

其中，θerr為實際角度與估計角度之間的差值。
現(xiàn)在重新定位d軸，可以得到：

假定電流PI調(diào)整器將產(chǎn)生小誤差，θerr很小，d軸可以表示為：

在圖1的建議估計器及所導(dǎo)出的公式中，誤差信號Vds_error由PI補(bǔ)償器處理，以導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子的角度則通過對估計的速度進(jìn)行積分而算得。其它常見方法用微分法計算速度，但這會使系統(tǒng)易受噪聲影響。Bon-Ho Bae的實驗研究表明，建議估計器能夠為應(yīng)用提供非常準(zhǔn)確且可靠的速度信息。但在零速和低速時，反電動勢電壓不夠高，無法用于所建議的矢量控制。因此，對于從零速度開始的無縫操作，估計器利用恒定幅度和預(yù)定模式頻率來控制電流。這里，同步坐標(biāo)系的角度通過對頻率進(jìn)行積分而導(dǎo)出(初始啟動方法)。