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高性能永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)速閉環(huán)和空間矢量脈沖調(diào)制所需要的轉(zhuǎn)子速度和位置信息，需要在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端安裝如增量式編碼器、光電式編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等高精度的位置傳感器。高精度位置傳感器的引入可以保證電機(jī)較好的控制效果，但也造成系統(tǒng)的可靠性降低，控制成本增加等問(wèn)題。

為解決此類問(wèn)題，許多學(xué)者對(duì)高頻信號(hào)注入算法、龍伯格觀測(cè)器算法、反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)算法和滑模觀測(cè)器算法等無(wú)傳感器算法進(jìn)行了大量研究，由于無(wú)傳感器算法過(guò)度依賴電機(jī)本身，會(huì)造成低速運(yùn)行不可靠，無(wú)法確定轉(zhuǎn)子位置估算的準(zhǔn)確性等問(wèn)題，因此，可考慮利用低成本的低分辨率開(kāi)關(guān)型霍爾位置傳感器實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。

開(kāi)關(guān)型霍爾位置傳感器在一個(gè)電周期內(nèi)只能提供6個(gè)準(zhǔn)確位置信息。有學(xué)者提出平均速度算法，根據(jù)霍爾信號(hào)將轉(zhuǎn)子一周分為6個(gè)霍爾扇區(qū)，以霍爾扇區(qū)的平均速度代替瞬時(shí)速度進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算，但是電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，估算結(jié)果的準(zhǔn)確性大大降低。

Scelba G.等在平均速度算法的基礎(chǔ)上引入轉(zhuǎn)子加速度，提出一階加速度算法，減小了電機(jī)加速減速時(shí)轉(zhuǎn)子位置估算誤差，但是平均速度算法和一階加速度算法作為兩種無(wú)模型算法，估算結(jié)果噪聲大且明顯滯后，難以滿足較高精度的控制要求。

有學(xué)者提出一種基于同步坐標(biāo)系濾波法的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)方法，把經(jīng)過(guò)分解的離散信號(hào)看作是真實(shí)信號(hào)和噪聲的疊加，經(jīng)過(guò)低通濾波器得到期望的信號(hào)。由于濾波器參數(shù)確認(rèn)相對(duì)復(fù)雜，并且當(dāng)相鄰霍爾區(qū)間轉(zhuǎn)速發(fā)生較大變化時(shí)，濾波效果明顯降低。

有學(xué)者提出帶反饋解耦的位置矢量跟蹤觀測(cè)器，該觀測(cè)器把離散霍爾信號(hào)矢量通過(guò)離散快速傅里葉變換方式分解為無(wú)限多個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量的疊加，可降低觀測(cè)器輸入的噪聲含量，提高觀測(cè)器性能。然而，如何選擇離散傅里葉展開(kāi)式項(xiàng)數(shù)來(lái)對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速是該方法應(yīng)用的難點(diǎn)。

為減小系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)位置估算的影響，Seung-Ki Sul等提出一種級(jí)聯(lián)觀測(cè)器。級(jí)聯(lián)觀測(cè)器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)類似的觀測(cè)器組成，初級(jí)觀測(cè)器的輸出作為次級(jí)觀測(cè)器的輸入，并且兩個(gè)觀測(cè)器均含有轉(zhuǎn)矩前饋，但是，級(jí)聯(lián)觀測(cè)器如果想要在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的觀測(cè)結(jié)果，需要對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)和觀測(cè)器參數(shù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院、常熟瑞特電氣股份有限公司的研究人員提出一種新型轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)算法。該算法包含兩個(gè)改進(jìn)的算法模型：改進(jìn)的一階加速度算法和改進(jìn)的滑模觀測(cè)器算法。對(duì)傳統(tǒng)一階加速度算法進(jìn)行改進(jìn)，利用交軸電流估算轉(zhuǎn)子位置，并引入霍爾傳感器輸出的位置信號(hào)，對(duì)滑模觀測(cè)器估算的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行分段線性校正，提出了一種基于霍爾傳感器和滑模觀測(cè)器算法的改進(jìn)滑模觀測(cè)器算法，最后將經(jīng)過(guò)一階改進(jìn)加速度算法和改進(jìn)的滑模觀測(cè)器算法計(jì)算的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行加權(quán)平均，得到校正的估算轉(zhuǎn)子位置和速度。

圖4 新型轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)算法結(jié)構(gòu)框圖

在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，引入交軸電流進(jìn)行加速度估算，根據(jù)估算加速度改進(jìn)一階加速度算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠起動(dòng)。在電機(jī)中高速運(yùn)行時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)子在單霍爾區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)調(diào)節(jié)滑模觀測(cè)器與改進(jìn)的一階加速度算法權(quán)值，減小一階加速度算法滯后性與霍爾傳感器安裝誤差帶來(lái)的影響，完成轉(zhuǎn)子位置精確估算。通過(guò)離散位置信號(hào)對(duì)滑模觀測(cè)器估算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)校正，解決位置誤差累計(jì)問(wèn)題。

研究者最后得出結(jié)論：

1）提出了一種轉(zhuǎn)子位置新型轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)算法。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分段。低速時(shí)，引入交軸電流進(jìn)行轉(zhuǎn)子加速度估算，根據(jù)估算加速度改進(jìn)一階加速度算法，改善起動(dòng)轉(zhuǎn)子位置估算滯后問(wèn)題。

中高速時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)子在單霍爾區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)調(diào)節(jié)滑模觀測(cè)器與改進(jìn)的一階加速度算法權(quán)值，減小一階加速度算法滯后性與霍爾傳感器安裝誤差帶來(lái)的影響。通過(guò)離散位置信號(hào)對(duì)滑模觀測(cè)器估算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)校正，解決位置誤差累計(jì)問(wèn)題。

2）以一臺(tái)兼有2500線編碼器和霍爾位置傳感器的永磁同步電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)基于本文觀測(cè)算法下的電機(jī)起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的電機(jī)響應(yīng)波形進(jìn)行分析研究，考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速大小突變對(duì)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的影響。

對(duì)比傳統(tǒng)一階加速度算法與滑模觀測(cè)算法獲得的響應(yīng)波形，表明本文提出的永磁同步電機(jī)新型轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)算法具有較高的綜合控制性能，轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估算準(zhǔn)確，能夠有效改善傳統(tǒng)一階加速度算法的滯后問(wèn)題，同時(shí)能有效克服低速工況運(yùn)行時(shí)滑模觀測(cè)器觀測(cè)不準(zhǔn)確轉(zhuǎn)速突變導(dǎo)致的位置估計(jì)誤差增大問(wèn)題。下一步將重點(diǎn)研究控制策略的工程化問(wèn)題，以期實(shí)現(xiàn)其實(shí)際工程應(yīng)用。

以上研究成果已發(fā)表在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于霍爾傳感器的永磁同步電機(jī)高精度轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)”，作者為張懿、張明明、魏海峰、李垣江、劉維亭。