無(wú)傳感器電機(jī)控制：使用無(wú)傳感器技術(shù)的無(wú)刷直流電機(jī)的位置和速度控制及其應(yīng)用趨勢(shì)
憑借高功率密度，堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)刷直流 （BLDC）電機(jī)在許多應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用，特別在高性能應(yīng)用。例如，采用機(jī)床和機(jī)器人中的伺服器位置傳感器，能夠成功啟動(dòng)和操作。由于成本的問(wèn)題， 低性能應(yīng)用，空間受限以及位置傳感器的可靠性推動(dòng)了無(wú)傳感器控制的研究。除此之外，快速，持續(xù)改進(jìn)功能強(qiáng)大且經(jīng)濟(jì)的微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）加快了無(wú)傳感器的發(fā)展 控制技術(shù)，無(wú)刷直流 （BLDC）電機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域空調(diào)壓縮機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇，燃油/水泵等。
無(wú)刷直流 （BLDC）電機(jī)是一種同步電機(jī)，它看起來(lái)就像直流電機(jī)，在電流與轉(zhuǎn)矩，電壓和轉(zhuǎn)速之間具有線(xiàn)性關(guān)系。它是一個(gè)電子控制的換向系統(tǒng)，而不是機(jī)械的換向，這是有刷電機(jī)的典型特征。另外，電磁體不移動(dòng)，永磁體旋轉(zhuǎn)，電樞保持靜態(tài)，這解決了如何將電流傳遞到運(yùn)動(dòng)的電樞的問(wèn)題。用智能電子控制器代替電刷系統(tǒng)/換向器組件，控制器執(zhí)行與有刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了相同的功率分配。 BLDC電機(jī)比有刷DC電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)具有更多優(yōu)勢(shì)，例如具有更好的速度與轉(zhuǎn)矩特性，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高效和可靠，使用壽命長(zhǎng)（無(wú)電刷腐蝕），無(wú)噪音運(yùn)行，更高的轉(zhuǎn)速范圍以及降低了電磁干擾（EMI）。傳遞的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)尺寸的比率更高，使其在空間和重量是關(guān)鍵因素的應(yīng)用中特別有用，尤其在航空航天應(yīng)用中。
基于無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）的無(wú)傳感器控制技術(shù)，反電動(dòng)勢(shì)（EMF）檢測(cè)方法已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。眾所周知，反電動(dòng)勢(shì)的大小為與電機(jī)速度成正比，因此無(wú)法應(yīng)用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電機(jī)靜止時(shí)的正確運(yùn)行。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多方法，其中之一被稱(chēng)為三步啟動(dòng)方法，首先將轉(zhuǎn)子對(duì)準(zhǔn)預(yù)定方向，然后使電機(jī)加速，利用反電動(dòng)勢(shì)開(kāi)環(huán)的方案。這種啟動(dòng)方法很簡(jiǎn)單，容易實(shí)施，但會(huì)受到負(fù)載的影響，可能暫時(shí)導(dǎo)致反向，不能應(yīng)用于不允許旋轉(zhuǎn)的領(lǐng)域。
獲得轉(zhuǎn)子位置信息的方式有很多，在無(wú)傳感器控制技術(shù)中，轉(zhuǎn)子位置信息是通過(guò)從三個(gè)電機(jī)端子電壓之一間接檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)（電動(dòng)勢(shì)）來(lái)確定的。三個(gè)BLDC電機(jī)相繞組中只有兩個(gè)同時(shí)導(dǎo)通，第三個(gè)非導(dǎo)通相將反向?qū)ǎ梢蚤g接計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度的電動(dòng)勢(shì)。具有傳感器的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一般會(huì)使用帶有轉(zhuǎn)子位置傳感器的三相PWM逆變器來(lái)執(zhí)行相位換相和/或電流控制。
無(wú)傳感器控制技術(shù)最初被認(rèn)為是節(jié)省成本的好處，它可以提高系統(tǒng)可靠性，減少電氣連接的數(shù)量，消除機(jī)械對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題并減小電機(jī)的尺寸和重量。無(wú)傳感器控制通常沒(méi)有轉(zhuǎn)子位置傳感器的BLDC電機(jī)，取消了轉(zhuǎn)子位置傳感器（例如，光學(xué)編碼器，霍爾效應(yīng)傳感器，旋轉(zhuǎn)變壓器，電纜和解碼電路），通過(guò)降低可靠性和耐用性來(lái)降低制造成本。目前，無(wú)傳感器技術(shù)尚未得到廣泛采用，將來(lái)有望成為主要的BLDC電機(jī)控制方法。
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無(wú)傳感器電機(jī)控制：無(wú)傳感器電機(jī)控制
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無(wú)傳感器電機(jī)控制
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本公開(kāi)涉及無(wú)傳感器電機(jī)控制。例如，一
種用于無(wú)刷直流
(BLDC)
電機(jī)的控制器電路可被配
置為估計(jì)
BLDC
電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并且使用估計(jì)的
轉(zhuǎn)子位置向
BLDC
電機(jī)的定子繞組施加恒定啟動(dòng)電
壓，直到定子繞組處的電流對(duì)應(yīng)于局部最小電
流。控制器電路可進(jìn)一步被配置為：響應(yīng)于定子
繞組處的電流對(duì)應(yīng)于局部最小電流，允許定子繞
組處的電流的換流，響應(yīng)于允許定子繞組處的電
流的換流計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，并且使用計(jì)算的轉(zhuǎn)子位
無(wú)傳感器電機(jī)控制：無(wú)位置傳感器的電機(jī)控制你知道嗎？看完這篇就懂了
原標(biāo)題：無(wú)位置傳感器的電機(jī)控制你知道嗎？看完這篇就懂了
一、前言
電機(jī)控制一般使用閉環(huán)控制，這就必須使用傳感器，如：霍爾傳感器、編碼盤(pán)等。
但是有的應(yīng)用場(chǎng)合下，難以安裝霍爾傳感器、編碼盤(pán)，或者就算是安裝好，也很容易損壞。
霍爾傳感器、編碼盤(pán)都屬于位置傳感器。那么，無(wú)位置傳感器，是否也能控制電機(jī)？
答案是可以的。
二、方案
VBUS測(cè)量電機(jī)的母線(xiàn)電壓，假設(shè)電機(jī)由直流50V供電，則測(cè)量直流50V；由交220V供電，則測(cè)量直流310V。
IBUS測(cè)量電機(jī)總電流，可用于防過(guò)流、電流環(huán)控制。
Demand是給定的轉(zhuǎn)速，用滑動(dòng)電位器模擬轉(zhuǎn)速的輸入。
AN3、AN4、AN5引腳，用于測(cè)量電機(jī)的三相電壓。
這樣一來(lái)，沒(méi)有了位置傳感器，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備的安裝步驟。但是，會(huì)產(chǎn)生另外的一些問(wèn)題。
電機(jī)如何啟動(dòng)？如何換相？如何調(diào)速？
三、硬件
MOS管驅(qū)動(dòng)使用L6388ED，其內(nèi)部邏輯可以防止高邊和低邊MOS管同時(shí)導(dǎo)通。有自舉電容讓高邊MOS導(dǎo)通。
在單片機(jī)初始化時(shí)，要給L6388ED的自舉電容充電一段時(shí)間，否則高邊MOS管可能不導(dǎo)通，或者不完全導(dǎo)通。
L6388ED內(nèi)部框圖如圖所示。LIN=1，HIN=0，則LVG導(dǎo)通，HVG不導(dǎo)通，Cboot充電。
L6388ED自舉電容的容值可以由手冊(cè)上的公式計(jì)算得出，我這里控制低速電機(jī)，用的是10uF。
一旦自舉電容充完電手，MOS管可以在一段時(shí)間內(nèi)不需要充電，一般是電機(jī)每次啟動(dòng)時(shí)充電。
建議使用15V給L6388ED供電，使用12V的話(huà)，可能讓MOS不導(dǎo)通或不完全導(dǎo)通，如下圖所示。
測(cè)量三相電壓，如下圖所示，NET_W是W相的電壓，而W可以直接接單片機(jī)的ADC，C11為100nF電容，該電容可以平滑相電壓，不能去掉，否則無(wú)法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。U相和V相與此類(lèi)似，這里不再贅述。
平滑之后的波形，呈馬鞍型，如下圖所示。
四、單片機(jī)算法
該算法分三個(gè)部分，對(duì)齊轉(zhuǎn)子、開(kāi)環(huán)強(qiáng)制換相、利用反電動(dòng)勢(shì)閉環(huán)換相。
4.1 對(duì)齊轉(zhuǎn)子。
先給自舉電容充電，然后強(qiáng)制給某一相PWM，讓轉(zhuǎn)子對(duì)齊在一個(gè)固定的扇區(qū)。
這種方法在絕大多數(shù)的情況下都能對(duì)齊，若不能對(duì)齊，會(huì)啟動(dòng)失敗，此時(shí)，重新啟動(dòng)即可。
對(duì)齊轉(zhuǎn)子的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，針對(duì)本文的低速電機(jī)，對(duì)齊時(shí)間約200ms。
4.2 開(kāi)環(huán)強(qiáng)制換相。
這里的開(kāi)環(huán)是指未檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)，強(qiáng)制輸出PWM，并且在預(yù)算好的時(shí)間換相，從而讓電機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)。
換相的方法，不同的電機(jī)可能不一樣（如：極數(shù)不同），這里使用六步換相，如下圖所示。
其中，+VBUS表示上橋臂給PWM，-VBUS表示下橋臂給高電平導(dǎo)通，斜線(xiàn)表示上、下橋臂均不導(dǎo)通。
上、下橋臂均不導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。
4.3 利用反電動(dòng)勢(shì)閉環(huán)換相。
理想情況下，上、下橋臂均不導(dǎo)通時(shí)，在電機(jī)某一相電壓檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零，但是過(guò)零時(shí)刻和實(shí)際要換相的時(shí)刻，相差30度角。所以，在檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零之后，要延時(shí)30度，再換相。
實(shí)際情況下，延時(shí)的30度還要根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的ADC采樣，濾波算法進(jìn)行補(bǔ)償，這里的補(bǔ)償?shù)慕嵌纫话闶浅暗摹?/p>
假設(shè)超前x度，那么實(shí)際換相時(shí)刻為(30-x)度。
BEMF就是反電動(dòng)勢(shì)，紅色箭頭指向的是換相時(shí)刻，如下圖所示。
但是，ADC采樣的電壓都是正電壓，沒(méi)有負(fù)，那就需要構(gòu)造一個(gè)虛擬中性點(diǎn)。
把三相電壓加起來(lái)取平均值，就是虛擬中性點(diǎn)。如下圖所示。
把虛擬中性點(diǎn)當(dāng)作是零點(diǎn)，這樣就能做到過(guò)零檢測(cè)。
虛擬中性點(diǎn)并不是一個(gè)恒定值，它的波形如下圖所示，類(lèi)似正弦波。
檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零，有兩種方法，一種是比較器，另一種是ADC采樣后濾波。
用比較器的方法，優(yōu)點(diǎn)是減少單片機(jī)的運(yùn)算量，缺點(diǎn)是增加硬件成本。
用ADC采樣的方法，優(yōu)點(diǎn)是減少硬件成本，缺點(diǎn)是增加單片機(jī)的運(yùn)算量。
由于這里需要用到的ADC采樣率要求不高（20KHz SPS），所以用單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC即可。
這里采用ADC采樣的方法。其濾波算法稱(chēng)為擇多算法，在另一篇博文再詳細(xì)介紹。
五、注意事項(xiàng)
1、ADC要在PWM高電平的中部采樣，可以避免毛刺的干擾。
2、六步換相的步調(diào)必須正確，否則無(wú)法檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)。
六步換相有問(wèn)題，可能不出現(xiàn)紅圈中的豎線(xiàn)，也可能不出現(xiàn)藍(lán)圈中的反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)有問(wèn)題，電機(jī)無(wú)法加速。
3、可以使用互補(bǔ)的PWM，也可以使用上橋臂為PWM，下橋臂為高低電平。
4、黃色為經(jīng)過(guò)比較器后的波形（非本文使用的方法），藍(lán)色為經(jīng)過(guò)電阻分壓和電容濾波后的波形。如下圖所示。
經(jīng)過(guò)比較器后的波形會(huì)產(chǎn)生三條豎線(xiàn)，這三條豎線(xiàn)是由于換相引起的，所以在換相時(shí)，不判斷過(guò)零。在不換相時(shí)，去抖，判斷邊沿翻轉(zhuǎn)即是過(guò)零點(diǎn)，此方法比ADC濾波要簡(jiǎn)單一些。
5、換相時(shí)刻不正確的波形，如下圖所示。
無(wú)位置傳感器的電機(jī)控制暫時(shí)就講解到這里，從上文，大家或許無(wú)位置傳感器的電機(jī)控制存在影響較大，因此發(fā)燒友學(xué)院一直在致力于尋找有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的硬件教育團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合一起策劃張飛團(tuán)隊(duì)新推出了一門(mén)全硬件無(wú)位置馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器套件的系統(tǒng)培訓(xùn)課程，希望能幫助硬件工程師們能快速入門(mén)學(xué)會(huì)并在工作中去應(yīng)用。
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無(wú)傳感器電機(jī)控制：永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)綜述
引言
pmsm因其高轉(zhuǎn)矩慣性比、高能量密度、高效率等固有特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)車(chē)、工業(yè)伺服等領(lǐng)域。伴隨著高性能磁性材料、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，特別是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制策略的提出，使得pmsm調(diào)速系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展。pmsm矢量控制效法直流電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量解耦控制獲得了優(yōu)良動(dòng)靜態(tài)性能。打破了高性能電力傳動(dòng)領(lǐng)域直流調(diào)速系統(tǒng)一家獨(dú)大的局面，并逐步邁進(jìn)交流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)代。
高性能pmsm控制系統(tǒng)依賴(lài)于可靠的傳感器裝置和精確的檢測(cè)技術(shù)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)多采用光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置信息。但是機(jī)械傳感器安裝維護(hù)困難，不但增加了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，而且影響了系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能，降低了系統(tǒng)魯棒性和可靠性。pmsm矢量控制系統(tǒng)性能往往受限于機(jī)械傳感器精度和響應(yīng)速度，而高精度、高分辨率的機(jī)械傳感器價(jià)格昂貴，不但提高了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成本，還限制了驅(qū)動(dòng)裝置在惡劣條件下的應(yīng)用。機(jī)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(jī)械傳感器而采取無(wú)傳感器技術(shù)。因此，pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)的研究迅速成為熱點(diǎn)。
pmsm國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外在20世紀(jì)70年代就開(kāi)展無(wú)傳感器控制技術(shù)的研究工作。在其后的20多年里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流電機(jī)的無(wú)傳感器運(yùn)行進(jìn)行了廣泛的研究并提出了很多方法。這些研究成果使得無(wú)傳感器控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于更多的工業(yè)領(lǐng)域中。
pmsm無(wú)傳感器技術(shù)主要兩個(gè)發(fā)展階段：第一代采用無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)的交流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)近10年的研究和原型機(jī)試驗(yàn)已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。第一代無(wú)傳感器電動(dòng)機(jī)的調(diào)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(shí)，機(jī)械特性很軟且誤差變得很大，無(wú)法進(jìn)行調(diào)速。第一代無(wú)傳感器技術(shù)還很不完善，因此限制了它的使用范圍。現(xiàn)在正在研制的是第二代無(wú)傳感器技術(shù)，人們預(yù)計(jì)將能有更高的精度且在零速時(shí)也能進(jìn)行完全的轉(zhuǎn)矩控制，可與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)相媲美。第二代無(wú)傳感器技術(shù)預(yù)期的應(yīng)用領(lǐng)域與第一代無(wú)傳感器技術(shù)基本相同，但有更好的動(dòng)態(tài)特性。
pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)綜述
pmsm無(wú)傳感器技術(shù)自榮獲國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注之后，研究進(jìn)展很快，已取得階段性成果，部分技術(shù)已實(shí)用化。從pmsm自身特點(diǎn)的深入挖掘到眾多現(xiàn)代控制理論的引用，pmsm無(wú)傳感器控制理論正不斷的推陳出新。現(xiàn)對(duì)pmsm無(wú)傳感器控制主流理論綜述如下。
基于pmsm基本電磁關(guān)系估計(jì)方法
pmsm基本控制思想是實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制，無(wú)論是控制電壓、電流或頻率其控制性能的優(yōu)劣最終還是取決于對(duì)磁場(chǎng)的控制好壞。基于pmsm基本電磁關(guān)系的無(wú)傳感器技術(shù)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(guò)檢測(cè)電機(jī)電流、電壓估計(jì)所含轉(zhuǎn)子信息的物理量如磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。基于pmsm基本電磁關(guān)系的無(wú)傳感器方法有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種方式。采用定子電壓矢量方程估計(jì)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而以反正切函數(shù)估算出轉(zhuǎn)子位置方法通常為開(kāi)環(huán)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(jì)算出定子磁鏈?zhǔn)噶浚缓笸ㄟ^(guò)快速迭代計(jì)算出等效同步電感，進(jìn)而估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置信息的方法有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種形式。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。但是由于該方法是基于pmsm數(shù)學(xué)模型，雖然可以選取不同的數(shù)學(xué)模型，但無(wú)論采用什么數(shù)學(xué)模型，都涉及電機(jī)參數(shù)。電機(jī)參數(shù)如定子電阻隨溫度變化，電感隨電機(jī)負(fù)載和磁路飽和程度變化，均影響估計(jì)準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)用該方法最好結(jié)合電機(jī)參數(shù)在線(xiàn)辨識(shí)。
假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法
假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法著眼于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下pmsm數(shù)學(xué)模型電壓方程，提出可控參考坐標(biāo)用于無(wú)傳感器控制，該坐標(biāo)稱(chēng)為估計(jì)坐標(biāo)。它不是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，而是定向于已知的估計(jì)位置，并且可按確定控制規(guī)律自行調(diào)整坐標(biāo)。具體為以檢測(cè)電壓、電流估算位置偏差，通過(guò)pll調(diào)節(jié)器來(lái)調(diào)節(jié)位置偏差估計(jì)使得假轉(zhuǎn)子位置與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置趨于一致。該方法保證其估計(jì)精度核心是準(zhǔn)確估計(jì)位置偏差，雖然數(shù)學(xué)模型是精確地，但估計(jì)精度仍然受電機(jī)參數(shù)變化影響，同時(shí)也受電流檢測(cè)精度影響，雖然采用了閉環(huán)控制，但依然沒(méi)有完全擺脫對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性。該方法本質(zhì)上也是基于反電動(dòng)勢(shì)的一種估計(jì)方法。因此，難以應(yīng)用于靜止和低速運(yùn)行的無(wú)傳感器控制中。盡管如此，該方法所構(gòu)成的控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，由于采用了pll調(diào)節(jié)器，提高了系統(tǒng)的估計(jì)精度和穩(wěn)定性，并能獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。
模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)
模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（mras）基本思想是將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，將含有估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)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(shí)工作，利用輸出量差值根據(jù)合適的自適應(yīng)規(guī)律，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)估計(jì)參數(shù)，達(dá)到可調(diào)模型跟蹤參考模型的目的。根據(jù)參考模型與可調(diào)模型的不同選擇，可以構(gòu)造多種模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型。最常用的方法基于反電勢(shì)的mras算法，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)性完全取決于參考模型。但其缺點(diǎn)是在低速時(shí)，對(duì)定子電阻敏感，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速辨識(shí)不準(zhǔn)甚至發(fā)散，同樣無(wú)法解決低速問(wèn)題。
基于觀測(cè)器技術(shù)的位置辨識(shí)方法
觀測(cè)器實(shí)質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，即重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的變量作為他的輸入信號(hào)，并使其重構(gòu)狀態(tài)在一定條件下等價(jià)于原系統(tǒng)狀態(tài)。等價(jià)的原則為兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨于零。這個(gè)用以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的系統(tǒng)稱(chēng)為觀測(cè)器。
觀測(cè)器按信號(hào)類(lèi)型分為確定性觀測(cè)器和隨機(jī)性觀測(cè)器，按系統(tǒng)分為線(xiàn)性觀測(cè)器和非線(xiàn)性觀測(cè)器。觀測(cè)器基本結(jié)構(gòu)是由電機(jī)數(shù)學(xué)模型所構(gòu)成狀態(tài)估計(jì)方程加之以校正環(huán)節(jié)，兩者構(gòu)成閉環(huán)的狀態(tài)估計(jì)，即觀測(cè)器。電氣領(lǐng)域?qū)W者汲取世界眾多科學(xué)領(lǐng)域理論成果，結(jié)合各學(xué)科前沿思想創(chuàng)造性融入觀測(cè)器理論之中，形成諸多有價(jià)值不同控制思想的觀測(cè)器。在pmsm無(wú)傳感器技術(shù)中常采用自適應(yīng)全階觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器（ekf）和滑模觀測(cè)器（smo）。
（1）自適應(yīng)全階觀測(cè)器
自適應(yīng)觀測(cè)器是融自適應(yīng)控制于觀測(cè)器理論的一種無(wú)傳感器技術(shù)。基本思想是將自適應(yīng)控制引入觀測(cè)器結(jié)構(gòu)的校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制。pmsm自適應(yīng)全階觀測(cè)器首先以pmsm兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓方程構(gòu)建電流觀測(cè)器。然后以經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的pmsm數(shù)學(xué)模型作為參考模型。以構(gòu)建的電流觀測(cè)器為可調(diào)模型，用兩個(gè)模型輸出誤差驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。在自適應(yīng)規(guī)律作用下，能夠不斷地修正待估參數(shù)，以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應(yīng)觀測(cè)器不僅可以用來(lái)估計(jì)pmsm轉(zhuǎn)子位置和速度，而且是基于波波夫穩(wěn)定性理論辨識(shí)電機(jī)參數(shù)，減少了參數(shù)變化的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。
（2）擴(kuò)展卡爾曼濾波器
卡爾曼濾波器同樣也觀測(cè)器的一種。是卡爾曼濾波思想在觀測(cè)器理論的應(yīng)用。擴(kuò)展卡爾曼濾波器同其他觀測(cè)器一樣，能夠跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，其所不同的是它是非線(xiàn)性的、隨機(jī)的。ekf狀態(tài)估計(jì)分為兩大階段：預(yù)測(cè)階段和校正階段。在預(yù)測(cè)階段由上一次估計(jì)所得結(jié)果推算下一次估計(jì)的預(yù)測(cè)值。在校正階段為利用實(shí)際輸出和預(yù)測(cè)輸出偏差對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行反饋校正。卡爾曼濾波實(shí)質(zhì)就是對(duì)預(yù)測(cè)值反饋校正。因此，不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力，而且可以更好地抑制測(cè)量噪聲和系統(tǒng)噪聲。但是ekf濾波器缺點(diǎn)在于系統(tǒng)測(cè)量噪聲和系統(tǒng)噪聲的未知，帶來(lái)的問(wèn)題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協(xié)方差矩陣。一般采用試湊法選擇協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣關(guān)系到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及其穩(wěn)定性。因此，協(xié)方差矩陣的確定關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定與否顯得至關(guān)重要。
（3）滑模觀測(cè)器
滑模觀測(cè)器是滑模變結(jié)構(gòu)控制在觀測(cè)器理論的一種應(yīng)用。其特點(diǎn)是性能完全由其滑模超平面決定，過(guò)渡過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)本身參數(shù)變化及外部擾動(dòng)均具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性。基本思想是首先根據(jù)pmsm數(shù)學(xué)模型建立滑模電流觀測(cè)器，選擇滑模觀測(cè)器觀測(cè)電流與實(shí)際電流偏差為滑模超平面，該偏差經(jīng)砰砰控制，估算出含高次諧波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，含有高次的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)濾波后計(jì)算得出位置和轉(zhuǎn)速。估計(jì)變量中含有高次諧波是滑模觀測(cè)器的不足之處，這影響了高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，盡管可以進(jìn)行濾波處理，但通常方式的濾波會(huì)引起相位偏差。如前所述卡爾曼濾波器可以考慮噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，可以將滑模觀測(cè)器與卡爾曼濾波有效結(jié)合，成分發(fā)揮卡爾曼濾波的長(zhǎng)處，構(gòu)成更加完善的觀測(cè)器。
基于pmsm電機(jī)特性估計(jì)方法
pmsm無(wú)傳感器技術(shù)多數(shù)基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)得以估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低或零速時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)趨于零，轉(zhuǎn)子磁極位置難于精確估計(jì)，甚至無(wú)法估計(jì)。高頻信號(hào)注入法是基于pmsm電機(jī)特性——凸極性以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置的觀測(cè)，具有很大優(yōu)勢(shì)，其主要方法有旋轉(zhuǎn)電壓矢量法和脈動(dòng)電壓矢量法。
（1）旋轉(zhuǎn)電壓矢量法
旋轉(zhuǎn)電壓注入法是向插入式pmsm電機(jī)注入三相對(duì)稱(chēng)的高頻正弦電壓信號(hào)，在電機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，空間電壓矢量在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制，調(diào)制結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上，定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流，進(jìn)行解調(diào)處理后就可以從中提取出相關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息，以此構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。是目前十分受關(guān)注的一種無(wú)傳感器控制方法。
（2）脈動(dòng)電壓矢量法
脈動(dòng)電壓注入法是向永磁同步電機(jī)注入脈動(dòng)電壓矢量，脈動(dòng)電壓矢量與勵(lì)磁磁場(chǎng)疊加，這會(huì)改變勵(lì)磁磁路的飽和程度，使勵(lì)磁磁路具有凸極性，這種凸極特性對(duì)脈動(dòng)電壓矢量產(chǎn)生調(diào)制作用，這種調(diào)制作用隨著脈動(dòng)電壓偏離勵(lì)磁磁極軸線(xiàn)變化而變化，這種變化反映在高頻電流響應(yīng)中，因此在這個(gè)電流響應(yīng)中便會(huì)載有轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的信息。
兩者均利用電機(jī)的凸極特性調(diào)制，但是旋轉(zhuǎn)電壓注入法的凸極性是屬于結(jié)構(gòu)性凸極，即應(yīng)用于插入式pmsm。而脈動(dòng)電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極，結(jié)構(gòu)性凸極對(duì)高頻電壓調(diào)制作用微弱。即可應(yīng)用于面裝式pmsm，而旋轉(zhuǎn)電壓注入法卻不能。兩種方法均適用于低速估計(jì)，也可用于初始位置估計(jì)，均利用pmsm的凸極性，而不依賴(lài)于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。脈動(dòng)電壓輸入法特點(diǎn)在于不依賴(lài)于電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，可以工作在全速域內(nèi)，甚至零速狀態(tài)下。
基于人工智能理論的估算方法
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能理論估算轉(zhuǎn)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(yīng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，改善mras在低速區(qū)速度估計(jì)精度并提高其對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展和完善，研究無(wú)傳感器技術(shù)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代pmsm電流模型轉(zhuǎn)子觀測(cè)器，并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應(yīng)進(jìn)行位置估計(jì)。網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出具有明確的物理意義。網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為電機(jī)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程就是速度和位置估計(jì)過(guò)程。極具理論意義，但其理論研究尚不成熟，硬件實(shí)現(xiàn)也有一定的困難。現(xiàn)智能控制理論如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制在電力傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用方面論文屢有發(fā)表，但實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化尚有一段距離。
pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
pmsm無(wú)傳感器控制是目前pmsm控制理論發(fā)展方向，其理論成果拓寬了pmsm應(yīng)用領(lǐng)域。pmsm無(wú)傳感器控制基本思想都是通過(guò)檢測(cè)電壓、電流引用相應(yīng)控制理論實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息的估計(jì)。但尚無(wú)一種pmsm無(wú)傳感器控制可實(shí)現(xiàn)pmsm系統(tǒng)全速運(yùn)行。一方面由于高頻信號(hào)注入法在零低速領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使其有望成為pmsm系統(tǒng)全速運(yùn)行的一種方法，但是由于高頻信號(hào)注入法本身帶來(lái)的一些問(wèn)題尚需更進(jìn)一步的研究，是眾多學(xué)者專(zhuān)攻的一個(gè)方向。另一方面人們基于觀測(cè)器分析方法引入現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制以及非線(xiàn)性控制形成眾多無(wú)傳感器控制方法，每一種控制方法都有其自身優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在一些問(wèn)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(fù)合可以更好的提高無(wú)傳感控制性能是未來(lái)無(wú)傳感器控制技術(shù)的發(fā)展方向。
結(jié)語(yǔ)
本文綜述pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析比較pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)各種方法優(yōu)缺點(diǎn)，指明pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)研究重點(diǎn)和所要解決的問(wèn)題，預(yù)測(cè)pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向：一是以高頻信號(hào)注入法的零低速領(lǐng)域拓展到全速領(lǐng)域的研究方向；二是以基于觀測(cè)器的各種現(xiàn)代控制理論結(jié)合和滲透的研究方向。
