PMSM无速度传感器控制（一）——无速度传感器控制综述

1、无速度控制策略的优势

电机交流调速系统中，电机转速和位置信息的准确获取是一个十分关键的环节。

在高性能异步电机控制系统中，一般通过在转子轴上安装机械式传感器来获得电机的速度和位置信息，以实现高性能的转速和位置闭环控制。传统的检测电机转速和位置多采用光电编码器或者旋转变压器等机械传感器。这些机械传感器在实际应用中存在许多问题：高精度、速度快的传感器成本较高；机械传感器安装在电机轴上，可能出现同轴度的问题，安装不当容易与实际转子位置存在偏差；机械传感器的使用增加了系统的控制接口和接线，降低了系统的可靠性；机械传感器自身容易受到环境情况影响，性能不够稳定。为了避免电机控制系统使用机械传感器带来的问题，采用无速度传感器控制方法。

                                  

2、无速度控制算法的功能地位

以双闭环矢量控制系统而言，无速度传感器控制策略替换了原本的速度和位置传感器。下图中浅红色部分即为无速度传感器控制策略在整个控制框架中所处的位置，其作用与速度传感器完全相同。

2、无速度控制算法的分类

无速度传感器控制技术的关键在于：利用容易测量的电机定子电流、电压等电信号，通过一定的算法获得电机的转速和位置信息。近年，出现了大量速度和位置的估算方法，总体来说可将无速度传感器控制方法分为3类。

1. 第一类：基于电机理想模型的开环计算方法。例如直接计算法、基于反电动势积分法和基于电感变化的估算方法等，这一类方法原理简单，动态响应较快，但容易受到参数变化的影响，估算性能不稳定，
2. 第二类：基于各种观测器模型的方法。例如全阶观测器、滑模观测器、模型参考自适应算法等，这一类方法在观测精度和系统的稳定性上，相较于第一类方法有很大的提高。
3. 第三类：基于电机非理想特性的估算方法。此类方法主要以注入法为主，例如旋转高频电压注入法、旋转高频电流注入法、高频脉振电压注入法等，由于所加高频信号和电机的运行状态无关，解决了第二类估算方法在电机零速和极低速情况下转速和位置估计不准的问题。

具体的，第一类方法主要为基于电机数学模型的开环估计，利用电机的定转子电压空间矢量方程，通过适当的计算来估计电机的转速和位置信息。由于可以通过计算来直接估计电机的转速，因此这种方法简单直观，动态响应比较快。然而其缺点也比较明显，无论是静止坐标系还是旋转坐标系，均需要用到电机的参数，因此转速位置估计的正确与否完全取决于电机参数的准确性，由于估计过程是开环的，电机的参数变化会使得转速估计的准确性大大降低，严重影响系统稳定性。

第二类方法主要基于各种观测器的闭环算法，主要基于电机的理想特性出发对电机的转速位置信号进行估计。例如滑模观测器法和自适应全阶状态观测器法。滑模观测器法基于观测电流和实际电流之间的误差来设计滑模观测器，并由电流的误差来重构电机的反电动势和、估算转子速度。滑模观测器法的重点在于滑模面的选择以及滑模增益的选取，既要保证算法的收敛性以及收敛速度，也要避免滑模增益过大而造成电机运行引入过大的脉动。滑模观测器法受系统参数变化以及外部扰动的影响较小，观测结果具有较好的鲁棒性。自适应全阶磁链观测器也是一种闭环的方法，其观测器状态向量的维数和电机状态向量的维数相同，其思想与模型参考自适应法相类似，即将异步电机本身作为参考模型，全阶观测器作为可调模型。观测的方式是通过电机的数学模型来估算电机的状态，并且这个估计状态被连续的以反馈校正的方式进行校正，从而使得观测器模型和电机输出趋于一致。

第三类方法主要利用电机自身的非理想特性对电机的转速和位置信号进行估计。其中较为典型的是高频信号注入法，主要原理是在电机定子侧注入高频电压或者高频电流信号，注入的高频信号在电机内会形成高频磁场。由于电机具有非理想特性，例如转子结构凸极性、转子饱和凸极性等，这种非理想特性会对高频磁场产生调制作用，使得电机定子侧产生和电机位置和转速相关的高频电压或电流信号，通过提取有效信号和解调制等方式得到电机的转速和位置信息。另外与利用转子凸极性的方法不同，还有利用注入高频信号后dq轴阻抗的差异来检测转子磁链位置的方法，此方法不依赖电机的转子凸极性，是实现基于高频注入法电机无传感器控制的新思路。