作者：Anders Norlin Frederiksen

以電機和功率級動力學為中心的高級建模技術可以顯著提高電機控制效率，確保實時適應系統行為波動的精確控制。通過應用無傳感器矢量控制技術，設計人員可以提高電機系統的性能并降低功耗，并符合旨在提高能源效率的新興政府法規。由下一代數字信號處理技術實現的新電機控制方案有望加速先進控制方案的采用。

在過去十年中，高度暴露的永磁材料的開發和更容易部署推動了許多工業應用中永磁同步電機（PMSM）在高性能變速電機中的使用。使用 PMSM 驅動器的固有優勢包括高扭矩重量比、高功率因數、更快的響應、堅固的結構、易于維護、易于控制和高效率。高性能速度和/或位置控制需要準確了解轉子軸的位置和速度，以便將相位激勵脈沖同步到轉子位置。這意味著需要速度和位置傳感器，例如連接到電機軸上的絕對編碼器和磁性旋轉變壓器。然而，在大多數應用中，這些傳感器存在一些缺點，例如可靠性降低、易受噪聲影響、額外的成本和重量以及驅動系統的復雜性增加。無傳感器矢量控制消除了對速度/位置傳感器的需求，克服了這些挑戰。

近年來，研究文獻中提出了幾種解決方案，重點是PMSM的速度和位置無傳感器方法。已經開發了三種基本技術來估計永磁同步電機驅動器的無傳感器轉子位置：

基于反電動勢（反電動勢）估計的各種技術

基于狀態觀察器和擴展卡爾曼濾波（EKF）的技術

基于實時電機建模的其他技術

反電動勢技術

基于反電動勢技術的位置估計根據電壓和電流估計磁通和速度，這對低速范圍內的定子電阻特別敏感。由于機器的反電動勢小，開關器件的非線性特性產生的系統噪聲，幾乎無法檢測到機器終端上的實際電壓信息。反電動勢方法在中高速和高速中產生良好的位置估計，但在低速區域則失敗。

反電動勢電壓的大小與轉子速度成正比，因此在靜止時無法估計初始位置。因此，從未知的轉子位置啟動可能伴隨著暫時的反向旋轉或可能導致啟動失敗。由于EKF能夠對涉及隨機噪聲環境的非線性系統進行狀態估計，因此對于PMSM的速度和轉子位置的在線估計，EKF似乎是一種可行且計算高效的候選者。

基于使用磁顯著性的空間顯著性跟蹤的技術適用于零速運行，并且可以在沒有參數影響的情況下估計初始轉子位置。對于轉子初始位置，主要有兩種基本方法，基于使用脈沖信號注入或正弦載波信號注入。

讓我們看一個例子。

圖1.反電動勢和初始啟動的平衡（歸因于Bon-Ho Bae）。

圖1顯示了不帶位置傳感器的無傳感器矢量控制方案的框圖。在框圖中，前饋項 Vds_ff和 Vqs_ff，對于軸之間的控制，方程可以構造為：

其中 ωr是轉子的速度。

僅查看內部永磁同步電機（IPMSM）的標準電壓方程，參考系由下式表示：

與 θ犯 錯是真實角度和估計角度之間的角度差。

現在重新定位 d 軸時，我們發現：

定義電流PI穩壓器將產生一個小誤差 - θ犯 錯很小，D 軸可以表示為：

在圖1的估計器和推導方程中，誤差信號Vds_error由PI補償器處理，得出轉子的速度，通過積分估計的速度計算轉子的角度。在其他傳統方法中，微分過程用于計算速度，但這使得系統容易受到噪聲的影響。在Bon-Ho Bae的研究中，實驗研究表明，所提出的估算器為應用提供了非常準確和強大的速度信息。但在零速和低速時，反電動勢電壓不足以滿足所提出的矢量控制。因此，為了從零速無縫運行，電流以恒定的幅度和預模式的頻率進行控制。這里，同步參考系的角度是通過對頻率進行積分（初始啟動方法）得出的。

EKF技術

讓我們看另一個例子，現在使用 EKF 技術原理（歸功于 Mohamed Boussak），并再次與初始啟動相結合。

圖2.

從PMSM的基礎知識開始，并將其重寫為四階動態模型，我們得到：

哪里：

永磁同步電機產生的扭矩為：

動態模型基于一些簡單的假設 - 忽略正弦反電動勢和渦流，現在給出：

d軸和q軸電流不能由Vd和Vq電壓獨立控制，因為兩個軸之間的交叉耦合效應如圖2所示。對于高性能速度控制，需要應用具有去耦前饋補償的d軸和q軸電流調節器。有關更多詳細信息，請參見圖 3。

圖3.

d 軸參考電流 i*d設置為零，以最大化 IPMSM 的扭矩與電流比。q軸參考電流i*q通過調速器從速度誤差得到，如圖3所示。電流調節器的輸出在旋轉參考系中提供參考電壓。在圖3的框圖中，前饋項ed和 eq，用于解耦控制，由下式給出：

正如Boussak所描述的，兩種補償（電流控制和電壓指令）是確保穩定和最佳控制的重要因素——增強矢量控制和弱磁控制。

EKF因其簡單性、最優性、可追蹤性和魯棒性而成為非線性系統跟蹤和估計最廣泛使用的方法之一。為了實現對突出極IPMSM的無傳感器控制，使用EKF來估計速度和轉子位置。電機的線路電壓和負載轉矩是系統的矢量輸入變量。速度和轉子位置是要估計的兩個量級，它們與電機電流一起構成狀態矢量。電機電流將是構成輸出矢量的唯一可觀測幅度。

對于無傳感器IPMSM驅動器的EKF實施，選擇雙軸參考框架至關重要。理想的情況是使用連接到轉子的 d 軸和 q 軸旋轉參考系。該解決方案與IPMSM無傳感器速度控制不兼容，因為估算器的輸入矢量（電流和電壓）取決于轉子位置。在實現中觀察到，轉子初始位置的估計誤差可能會在EKF相對于實際系統的進度中引起誤差，從而產生嚴重影響。

在這種情況下，Boussak建議將IPMSM控制與轉子參考系對齊。速度和位置僅使用定子電壓和電流的測量值來估計?；?EKF 的觀察者使用電機模型，其數量在固定參考系中α-β連接到定子框架，因此與轉子位置無關。推導了靜止參考系中IPMSM的非線性動態狀態模型，以完成估計器：

兩個定子電流，電速度和位置被用作系統狀態變量（更高級的計算方案可以在Boussak的工作中找到）。

Bon-Ho Bae和Boussak開發的部署方法使無傳感器控制器的可行性保持一致，將更高級的建模引入實時電機控制方案。在過去五年中，微控制器和DSP制造商一直高度專注于通過新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能。這些是使設計人員能夠在現實世界中應用現代矢量控制的關鍵因素。

電機效率始于處理器

如今，ADI公司新ADSP-CM40x ARM Cortex-M4系列等處理器的增強功能正在實現性價比平衡，使更復雜的電機控制算法的實現開始在大批量解決方案中獲得牽引力。特別是在處理器功能方面，內置數字濾波器功能、高性能浮點功能和擴展的數學功能都允許更復雜的組合算法來創建更好的控制器和控制方案，從而將電機驅動器的效率推近 100%。在行業內，毫無疑問，運行基于實時模型的估計器的多個觀察者模型的增強將有助于提高（i）驅動器的性能，（ii）系統效率和拓撲，以及（iii）設計的部署方法。關于（iii），像MATLAB/Simulink這樣的圖形系統今天能夠簡化設計流程并增強新算法的開發。這些工具與執行處理器一起，可以實現更復雜的部署。與內核速度、模數轉換分辨率和內存集成相關的處理器級增強功能將為設計人員提供能力和精度，以實現更高的質量和更高的性能目標，同時加快上市時間。?

隨著ADI公司最近推出的ADSP-CM40x系列混合信號嵌入式控制器，在降低價格的同時，也實現了顯著的處理性能提升，為以前由性能受限的處理器和微控制器提供服務的電機控制應用帶來了DSP級性能。電機系統設計人員將利用這種性能曲線，通過使用更先進的算法來實現更高的系統功能和精度，這些算法可用于準確確定轉子軸的位置和速度，從而消除系統中對位置/速度傳感器的需求。

ADSP-CM40x體現了上述趨勢，即提高片內集成度，例如用于精確數據轉換和建模精度的世界級分辨率ADC，以及用于進一步加快算法處理速度的集成閃存，這兩種方法都最大限度地減少了片外組件并降低了整體系統成本。處理器提供性能和片上集成的最佳組合，使設計人員能夠實現許多系統級設計目標，包括實時處理更多數據、減少延遲、將處理任務整合到單個處理器，以及更靈活地優化系統接口和控制功能。

如今，新技術正在推動電機系統功能的范式轉變，平衡設計拓撲和處理器屬性，以實現更高的整體系統性能和效率。高性能處理器/DSP 使現代高效的控制理論能夠用于高級系統建模，確保任何實時電機系統的最佳功率和控制效率。無傳感器矢量控制的廣泛應用現已觸手可及，并有望加速全球向更節能、更高性能的工業設備發展的趨勢。

審核編輯：郭婷