永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其高效率、高功率密度和優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，在工業(yè)驅(qū)動(dòng)、新能源汽車、家用電器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的PMSM控制需要安裝位置傳感器（如編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器）來(lái)獲取轉(zhuǎn)子位置信息，但傳感器增加了系統(tǒng)成本、體積和故障率。無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)通過(guò)算法估算轉(zhuǎn)子位置和速度，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。本文將深入解析該技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)方法及最新進(jìn)展。

一、無(wú)傳感器控制的核心原理

無(wú)傳感器技術(shù)的本質(zhì)是通過(guò)電機(jī)端電壓、電流等可測(cè)量信號(hào)，結(jié)合電機(jī)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)估算轉(zhuǎn)子位置。其理論基礎(chǔ)可分為三類：

1. 反電動(dòng)勢(shì)法：基于永磁體產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的特性。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)（通常>5%額定轉(zhuǎn)速），反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)明顯，可通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）或滑模觀測(cè)器提取位置信息。例如擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)（EEMF）模型通過(guò)坐標(biāo)變換將交直軸耦合項(xiàng)轉(zhuǎn)化為擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)，提高中高速段估算精度。

2. 高頻信號(hào)注入法：適用于零低速場(chǎng)景。向定子繞組注入高頻電壓信號(hào)（如1-2kHz正弦波或方波），利用電機(jī)磁飽和效應(yīng)引起的電感凸極性差異，通過(guò)解調(diào)響應(yīng)電流獲取位置。常見方法包括旋轉(zhuǎn)高頻注入和脈振高頻注入，資料指出其位置誤差可控制在±5電角度以內(nèi)。

3. 磁鏈觀測(cè)法：通過(guò)積分定子電壓方程得到磁鏈，再結(jié)合電流模型計(jì)算位置。需解決積分漂移問(wèn)題，通常采用改進(jìn)的純積分器或低通濾波器組合。

二、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

1. 觀測(cè)器設(shè)計(jì)

●滑模觀測(cè)器（SMO）：通過(guò)構(gòu)造滑模面迫使系統(tǒng)狀態(tài)軌跡收斂，對(duì)參數(shù)擾動(dòng)魯棒性強(qiáng)。資料提到其開關(guān)特性會(huì)引入抖振，可采用飽和函數(shù)或邊界層法優(yōu)化。

●自適應(yīng)觀測(cè)器：如模型參考自適應(yīng)（MRAS），將不含位置參數(shù)的方程作為參考模型，含參數(shù)的為可調(diào)模型，通過(guò)誤差反饋調(diào)整轉(zhuǎn)速估算值。

●卡爾曼濾波器：將系統(tǒng)噪聲納入狀態(tài)方程，適用于噪聲環(huán)境，但計(jì)算量較大。

2. 初始位置檢測(cè)

零速啟動(dòng)需解決初始位置辨識(shí)難題。高頻脈沖注入法通過(guò)比較電流響應(yīng)幅值判斷磁極位置，技術(shù)資料指出，現(xiàn)代算法可將初始定位誤差縮小至±10°以內(nèi)，滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。

3. 高低速切換策略

混合控制方案結(jié)合高頻注入與反電動(dòng)勢(shì)法：低速時(shí)采用高頻注入，中高速切換為反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)。關(guān)鍵難點(diǎn)在于平滑過(guò)渡，技術(shù)資料提到一種基于權(quán)重因子的動(dòng)態(tài)融合算法，可避免切換震蕩。

三、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

1. 參數(shù)敏感性：電阻、電感等參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)偏差。

解決方案包括：

●在線參數(shù)辨識(shí)：如遞推最小二乘法實(shí)時(shí)更新電機(jī)參數(shù)。

●魯棒控制設(shè)計(jì)：H∞控制或模糊PID增強(qiáng)抗干擾能力。

2. 低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：高頻信號(hào)注入可能引起附加損耗。采用隨機(jī)頻率調(diào)制或死區(qū)補(bǔ)償可降低影響。

3. 深度弱磁控制：當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)基速時(shí)，需弱磁擴(kuò)速。無(wú)傳感器下需重構(gòu)電壓方程，引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)避免估算發(fā)散。

四、行業(yè)應(yīng)用案例

1. 新能源汽車：特斯拉Model 3后驅(qū)版采用無(wú)傳感器IPMSM控制，通過(guò)EKF算法實(shí)現(xiàn)全速域位置估算，取消傳統(tǒng)編碼器后系統(tǒng)減重1.5kg。

2. 工業(yè)伺服：安川電機(jī)Σ-7系列驅(qū)動(dòng)器集成高頻注入技術(shù)，零速轉(zhuǎn)矩控制精度達(dá)±0.5%。

3. 家用空調(diào)：格力第三代變頻壓縮機(jī)使用滑模觀測(cè)器方案，成本降低20%且通過(guò)-30℃低溫啟動(dòng)測(cè)試。

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1. AI融合控制：深度學(xué)習(xí)用于觀測(cè)器參數(shù)自整定，如LSTM網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)位置誤差。

2. 多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)：結(jié)合振動(dòng)、噪聲等非電信號(hào)提升可靠性。

3. 寬禁帶器件賦能：SiC逆變器的高開關(guān)頻率使高頻注入信號(hào)更易提取。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)正從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；瘧?yīng)用。隨著芯片算力提升和算法優(yōu)化，其精度與可靠性將逐步比肩有傳感器方案，為電機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)更簡(jiǎn)潔、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。未來(lái)需進(jìn)一步攻克超低速高精度控制、全工況參數(shù)自適應(yīng)等難題，以拓展其在航天、精密醫(yī)療等高端領(lǐng)域的應(yīng)用邊界。

審核編輯 黃宇