引言

pmsm因其高轉矩慣性比、高能量密度、高效率等固有特點廣泛應用于航空航天、電動車、工業伺服等領域。伴隨著高性能磁性材料、電力電子技術、微電子技術和現代控制理論的發展，特別是矢量控制和直接轉矩控制等高性能控制策略的提出，使得pmsm調速系統得以迅猛發展。pmsm矢量控制效法直流電機通過轉矩分量和勵磁分量解耦控制獲得了優良動靜態性能。打破了高性能電力傳動領域直流調速系統一家獨大的局面，并逐步邁進交流調速系統時代。

高性能pmsm控制系統依賴于可靠的傳感器裝置和精確的檢測技術。傳統控制系統多采用光電編碼器，旋轉變壓器等機械傳感器獲得轉子位置信息。但是機械傳感器安裝維護困難，不但增加了系統機械結構復雜度，而且影響了系統動靜態性能，降低了系統魯棒性和可靠性。pmsm矢量控制系統性能往往受限于機械傳感器精度和響應速度，而高精度、高分辨率的機械傳感器價格昂貴，不但提高了驅動控制系統成本，還限制了驅動裝置在惡劣條件下的應用。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。因此，pmsm無傳感器控制技術的研究迅速成為熱點。

pmsm國內外研究現狀

國外在20世紀70年代就開展無傳感器控制技術的研究工作。在其后的20多年里，國內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動系統能夠應用于更多的工業領域中。

pmsm無傳感器技術主要兩個發展階段：第一代采用無傳感器矢量控制技術的交流電動機經過近10年的研究和原型機試驗已經出現在市場上。第一代無傳感器電動機的調速精度不高，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，無法進行調速。第一代無傳感器技術還很不完善，因此限制了它的使用范圍。現在正在研制的是第二代無傳感器技術，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矩控制，可與傳統的矢量控制技術相媲美。第二代無傳感器技術預期的應用領域與第一代無傳感器技術基本相同，但有更好的動態特性。

pmsm無傳感器控制技術綜述

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

基于pmsm基本電磁關系估計方法

pmsm基本控制思想是實現磁場定向控制，無論是控制電壓、電流或頻率其控制性能的優劣最終還是取決于對磁場的控制好壞。基于pmsm基本電磁關系的無傳感器技術著眼于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、電壓估計所含轉子信息的物理量如磁鏈、感應電動勢等以實現轉子位置的估計。基于pmsm基本電磁關系的無傳感器方法有開環和閉環兩種方式。采用定子電壓矢量方程估計出感應電動勢，進而以反正切函數估算出轉子位置方法通常為開環形式。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，進而估計出轉子位置信息的方法有開環和閉環兩種形式。其優點是計算量小、簡單、易于實現。但是由于該方法是基于pmsm數學模型，雖然可以選取不同的數學模型，但無論采用什么數學模型，都涉及電機參數。電機參數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，應用該方法最好結合電機參數在線辨識。

假定旋轉坐標法

假定旋轉坐標法著眼于兩相旋轉坐標系下pmsm數學模型電壓方程，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。它不是同步旋轉坐標，而是定向于已知的估計位置，并且可按確定控制規律自行調整坐標。具體為以檢測電壓、電流估算位置偏差，通過pll調節器來調節位置偏差估計使得假轉子位置與實際轉子位置趨于一致。該方法保證其估計精度核心是準確估計位置偏差，雖然數學模型是精確地，但估計精度仍然受電機參數變化影響，同時也受電流檢測精度影響，雖然采用了閉環控制，但依然沒有完全擺脫對電機參數的依賴性。該方法本質上也是基于反電動勢的一種估計方法。因此，難以應用于靜止和低速運行的無傳感器控制中。盡管如此，該方法所構成的控制系統相對簡單，由于采用了pll調節器，提高了系統的估計精度和穩定性，并能獲得良好的穩態性能。

模型參考自適應系統

模型參考自適應系統（mras）基本思想是將不含未知參數的方程作為參考模型，將含有估計參數的方程作為可調模型，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合適的自適應規律，以實時調節估計參數，達到可調模型跟蹤參考模型的目的。根據參考模型與可調模型的不同選擇，可以構造多種模型參考自適應系統轉速辨識模型。最常用的方法基于反電勢的mras算法，其優點是系統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，導致轉速辨識不準甚至發散，同樣無法解決低速問題。

基于觀測器技術的位置辨識方法

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

觀測器按信號類型分為確定性觀測器和隨機性觀測器，按系統分為線性觀測器和非線性觀測器。觀測器基本結構是由電機數學模型所構成狀態估計方程加之以校正環節，兩者構成閉環的狀態估計，即觀測器。電氣領域學者汲取世界眾多科學領域理論成果，結合各學科前沿思想創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無傳感器技術中常采用自適應全階觀測器、擴展卡爾曼濾波器（ekf）和滑模觀測器（smo）。

（1）自適應全階觀測器

自適應觀測器是融自適應控制于觀測器理論的一種無傳感器技術。基本思想是將自適應控制引入觀測器結構的校正環節，實現轉速自適應控制。pmsm自適應全階觀測器首先以pmsm兩相旋轉坐標系下電壓方程構建電流觀測器。然后以經過標準化處理的pmsm數學模型作為參考模型。以構建的電流觀測器為可調模型，用兩個模型輸出誤差驅動自適應機構。在自適應規律作用下，能夠不斷地修正待估參數，以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應觀測器不僅可以用來估計pmsm轉子位置和速度，而且是基于波波夫穩定性理論辨識電機參數，減少了參數變化的影響，提高系統的穩健性。

（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用。擴展卡爾曼濾波器同其他觀測器一樣，能夠跟蹤系統狀態，其所不同的是它是非線性的、隨機的。ekf狀態估計分為兩大階段：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。卡爾曼濾波實質就是對預測值反饋校正。因此，不僅具有優化和自適應能力，而且可以更好地抑制測量噪聲和系統噪聲。但是ekf濾波器缺點在于系統測量噪聲和系統噪聲的未知，帶來的問題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協方差矩陣。一般采用試湊法選擇協方差矩陣，而協方差矩陣關系到系統動態性能及其穩定性。因此，協方差矩陣的確定關乎系統穩定與否顯得至關重要。

（3）滑模觀測器

滑模觀測器是滑模變結構控制在觀測器理論的一種應用。其特點是性能完全由其滑模超平面決定，過渡過程不會產生超調，整個系統對本身參數變化及外部擾動均具有較強的穩健性。基本思想是首先根據pmsm數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，該偏差經砰砰控制，估算出含高次諧波的感應電動勢構成系統閉環，含有高次的感應電動勢經濾波后計算得出位置和轉速。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中的應用，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的影響，可以將滑模觀測器與卡爾曼濾波有效結合，成分發揮卡爾曼濾波的長處，構成更加完善的觀測器。

基于pmsm電機特性估計方法

pmsm無傳感器技術多數基于感應電動勢得以估計轉子位置。但當轉速很低或零速時，感應電動勢趨于零，轉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——凸極性以實現轉子磁極位置的觀測，具有很大優勢，其主要方法有旋轉電壓矢量法和脈動電壓矢量法。

（1）旋轉電壓矢量法

旋轉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，在電機內會產生幅值恒定而高速旋轉的空間電壓矢量，空間電壓矢量在電機內產生旋轉磁場，受到轉子凸極周期性地調制，調制結果自然要反映在電流響應上，定子高頻電流成為包含有轉子位置信息的載波電流，進行解調處理后就可以從中提取出相關的轉子位置信息，以此構成各種閉環控制系統，實現無傳感器的矢量控制或直接轉矩控制。是目前十分受關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生調制作用，這種調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中，因此在這個電流響應中便會載有轉子位置估計誤差的信息。

兩者均利用電機的凸極特性調制，但是旋轉電壓注入法的凸極性是屬于結構性凸極，即應用于插入式pmsm。而脈動電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極，結構性凸極對高頻電壓調制作用微弱。即可應用于面裝式pmsm，而旋轉電壓注入法卻不能。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學模型和參數。脈動電壓輸入法特點在于不依賴于電機參數和運行狀態，可以工作在全速域內，甚至零速狀態下。

基于人工智能理論的估算方法

基于神經網絡人工智能理論估算轉子位置方法是以mras為大背景而提出，目的在于利用其模型參考自適應系統的簡單，穩定，改善mras在低速區速度估計精度并提高其對電機參數敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發展和完善，研究無傳感器技術應用神經網絡理論以神經網絡取代pmsm電流模型轉子觀測器，并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應進行位置估計。網絡的輸入輸出具有明確的物理意義。網絡權值為電機參數，網絡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，硬件實現也有一定的困難。現智能控制理論如神經網絡、專家系統、模糊控制在電力傳動領域應用方面論文屢有發表，但實現其產業化尚有一段距離。

pmsm無傳感器控制技術發展趨勢

pmsm無傳感器控制是目前pmsm控制理論發展方向，其理論成果拓寬了pmsm應用領域。pmsm無傳感器控制基本思想都是通過檢測電壓、電流引用相應控制理論實現轉子信息的估計。但尚無一種pmsm無傳感器控制可實現pmsm系統全速運行。一方面由于高頻信號注入法在零低速領域的絕對優勢，使其有望成為pmsm系統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代控制理論如自適應控制、變結構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的發展方向。

結語

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