先進的電機和功率級動態特性建模技術可以大大提高電機控製效率，保證根據係統行為的實時變化進行精確控製。通過無傳感器矢量控製技術，設計人員可以增強電機係統的性能，降低功耗，並滿足旨在提高能效的新法規的要求。基於新一代數字信號處理技術的新型電機控製方案有望加速先進控製方案的應用。

在過去的十年中，隨著永磁材料的不斷發展和被調查資源的更容易開發，越來越多的高性能變速電機和永磁同步電機(PMSM)被用於工業應用。使用PMSM驅動的內在優勢包括：高扭矩重量比，高功率因數，更快的反應，耐用的結構，易於維護，易於控製和高效率。高性能速度和/或位置控製需要精確確定旋轉軸的位置和速度，以使相位激勵脈衝與轉子位置同步。因此，速度和位置傳感器，如絕對編碼器和磁性分解器應安裝在電機軸上。然而，在大多數應用中，這些傳感器會帶來許多缺點，例如可靠性降低、易受噪聲影響、成本和重量增加以及驅動係統更加複雜。無傳感器矢量控製不需要速度/位置傳感器，因此這些問題將不再存在。

近年來，關於PMSM無速度傳感器速度和位置控製方法的研究文獻有很多。對於由PMSM驅動的無傳感器轉子位置估計，已經開發了三種基本技術：

基於反電動勢(BEMF)估計的各種技術

基於狀態觀測器和擴展卡爾曼濾波器的技術(EKF)

基於實時電機建模的其他技術

反電動勢技術

基於反電動勢技術的位置估計根據電壓和電流估計磁通量和速度。在較低的速度範圍內，這種技術對定子電阻特別敏感。由於機器的反電動勢很小，開關設備的非線性特性會產生係統噪聲，很難獲得關於機器端子的實際電壓信息。在中高速範圍內，反電動勢法可以獲得較好的位置估計，但在低速範圍內不可行。

反電動勢電壓的幅度與轉子速度成正比，因此無法估計靜止時的初始位置。因此，從未知的轉子位置起動可能伴隨著暫時的反轉，或者可能導致起動失敗。EKF可以在隨機噪聲環境中對非線性係統進行狀態估計，因此它似乎是PMSM速度和轉子位置估計的一種可行且計算效率高的候選方法。

基於空間顯著性跟蹤的技術利用了磁顯著性，適用於零速運行，可以在不受其他參數影響的情況下估計轉子初始位置。轉子初始定位有兩種基本方法，即基於脈衝信號注入和正弦載波信號注入。

草莓视频黄片在线看來看一個例子。

圖1。反電動勢和初始啟動之間的平衡(來自Bon-Ho Bae)

圖1是沒有位置傳感器的無傳感器矢量控製方案的框圖。在框圖中，軸間控製的正饋電項Vds_ff和Vqs_ff可以表示為：

其中，r是轉子的轉速。

隻看內置PMSM (IPMSM)的標準電壓公式，坐標係可以表示為：

其中err是實際角度和估計角度之間的差值。

現在重新定位D軸，你可以得到：

假設電流PI調節器將產生小誤差，並且err非常小，D軸可以表示為：

在圖1的所提出的估計器和導出公式中，誤差信號Vds_error由PI補償器處理以導出轉子速度，並且通過對所估計的速度進行積分來計算轉子角度。其他常用的方法使用微分法計算速度，但這會使係統容易受到噪聲的影響。Bon-Ho Bae的實驗研究表明，所提出的估計器可以為應用提供非常準確和可靠的速度信息。然而，在零速度和低速時，反電動勢電壓不夠高，不足以用於所提出的矢量控製。因此，為了從零速度進行無縫操作，估計器以恒定的幅度和預定的模式頻率控製電流。這裏，同步坐標係的角度是通過對頻率進行積分得到的(初始啟動方法)。

EKF技術公司

現在讓草莓视频黄片在线看看另一個使用EKF技術原理的例子(來自Mohamed Boussak)，它也與初始啟動相結合。

圖2。

從PMSM的基本公式開始，改寫成四階動力學模型：

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其中：

PMSM所產生的扭矩為：

動態模型基於一些簡單的假設，忽略正弦反電動勢和渦電流，於是可以得到：

由於d軸和q軸之間存在交叉耦合效應，如圖2所示，因此兩個軸的電流無法由電壓Vd和Vq獨立控製。為實現高性能速度控製，需要運用具有去耦正饋補償功能的d軸和q軸電流調整器。更多信息請參考圖3。

圖3.

為使IPMSM的扭矩電流比最大，d軸基準電流i*d設置為0。q軸基準電流i*q從速度調整器的速度誤差獲得，如圖3所示。電流調整器的輸出提供旋轉坐標係的基準電壓。在圖3所示的框圖中，用於去耦控製的正饋項ed和eq由下式給出：

正如Boussak所述，兩個補償機製(電流控製和電壓命令)對於確保穩定和最優控製十分重要，有助於增強矢量控製和弱磁控製。

EKF以其簡單、最佳、易控製和穩定可靠，成為應用最廣泛的非線性係統跟蹤和估計方法之一。為實現對凸極IPMSM 的無傳感器控製，可以利用EKF估計速度和轉子位置。電機的線路電壓和負載扭矩均為係統矢量輸入變量。速度和轉子位置是需要估計的兩個幅度，二者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。

要對無傳感器IPMSM驅動實施EKF技術，雙軸坐標係的選擇至關重要。最佳選擇是采用轉子上安裝的d軸和q軸旋轉坐標係。但估計器的輸入矢量(電流和電壓)取決於轉子位置，所以這種方案與IPMSM無傳感器速度控製不兼容。實施過程中可觀察到，轉子初始位置的估計誤差可能會將誤差引入EFK相對於實際係統的處理過程中，從而引起嚴重後果。

對於這種情況，Boussak建議在轉子坐標係中調準IPMSM控製。速度和位置僅利用定子電壓和電流測量結果來估計。基於EKF的觀測器所使用的電機模型含有安裝於定子框架上的固定坐標係α-β ，因此獨立於轉子位置。導出IPMSM在固定坐標係中的非線性動態模型，以完成估計器公式：

兩個定子電流、電機速度和位置用作係統狀態變量(更高級計算方案請參考Boussak的論文)。

諸如Bon-Ho Bae和Boussak所開發的部署方法，利用無傳感器控製器的可行性將更高級模型引入實時電機控製方案。過去5年來，微控製器和DSP製造商一直積極通過新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能，這是確保設計人 員將現代矢量控製運用於實際的關鍵因素。

電機效率始於處理器

如今，增強型處理器正在將性價比提升到新的水平，使得更複雜電機控製算法的實施開始受到大規模應用解決方案的青眯。尤其在處理器能力方麵——內置數字濾波器功能、高性能浮點能力和擴展數學運算能力等都支持更複雜、集成度更高的算法，以便提供更佳的控製器和控製方案，迫使電機驅動的效率接近100%。在工業領域，對運行實時模型估計器的多觀測器模型的改善，無疑將有助於增強：(i)驅動性能，(ii)係統效率和拓撲結構，以及(iii)設計的部署方法。就第(iii)方麵而言，MATLAB/Simulink®等圖形係統便能夠簡化設計流程，促進新算法的開發。這些工具與執行處理器相結合，能夠實現更為複雜的部署方案。與內核速度、模數轉換精度和存儲器集成有關的處理器級改善將使設計人員能夠實現更高的質量和性能目標，同時加速產品上市。

ADI公司最近推出ADSP-CM40x係列混合信號嵌入式控製器，不僅大幅提升了處理器性能，而且降低了價格，使得以前采用性能受限的處理器和微控製器的電機控製應用也能享用DSP水平的性能。借助這種處理性能，電機係統設計人員可以利用更先進的算法實現更強的係統功能和更高精度，精確判定轉軸位置和速度，這樣係統就無需位置和速度傳感器。

用於加速算法處理的閃存，二者均有利於減少片外器件並降低係統整體成本。這些處理器提供性能與片內集成度的最佳融合，使得設計人員能夠實現許多係統級設計目標，例如：實時處理更多數據，延時更短，將處理任務集中於單個處理器進行，以及更靈活地優化係統接口和控製能力。

如今，新技術正在推動電機係統能力實現範式轉換，設計拓撲結構與處理器特性平衡則可實現更高的整體係統性能和效率。高性能處理器/DSP支持運用現代高效控製理論完成高級係統建模，從而確保所有實時電機係統都能實現最佳電源和控製效率。無傳感器矢量控製的廣泛應用勢在必行，必將加速全球提高工業設備能效和性能的進程。

作者：Anders Norlin Frederiksen

來源：ADI

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