利用無傳感器矢量控制技術(shù)實現(xiàn)超高效率電機控制

　　近年來，隨著淺層和露天永磁體材料的不斷發(fā)展且越來越容易開采，工業(yè)應(yīng)用中的高性能變速電機越來越多采用永磁同步電機(PMSM)。使用 PMSM驅(qū)動的先天優(yōu)勢包括：高扭矩重量比、高功率因子、更快的響應(yīng)、結(jié)實耐用的構(gòu)造、易于維護、易于控制以及高效率。高性能速度和/或位置控制要求準確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，使相位激勵脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。因而電機軸上需安裝絕對編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器(Resolver)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：可靠性降低，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)估計的技術(shù)
• 　　基于狀態(tài)觀測器和擴展卡爾曼濾波器(EKF)的技術(shù)
• 　　基于空間顯著性跟蹤-初始定位的其它技術(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。

　　反電動勢與初始啟動的平衡(來源于 Bon-Ho Bae)：

　　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。框圖中，軸間控制的前饋項 Vds_ff 和Vqs_ff 可以表示為：

　　其中ωr 為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。