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高速电机无位置传感器控制关键技术与前景展望
夏长亮，叶梦婷
（浙江大学电气工程学院, 浙江省 杭州市 310027）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.241256
高性能的电机控制离不开准确的转子位置信息，但高速电机转速高、体积小，不易安装光电编码器、旋转变压器等机械式位置传感器，且高转速的编码器并不常见。因此，高速电机的无位置传感器控制技术成为制约高速电机广泛应用的核心技术。
本文围绕高速电机无位置传感器控制中的建模、驱动和控制三大环节的关键技术，以高效率和高功率密度的高速永磁同步电机为研究对象，从精确建模与解耦控制、无位置传感器控制所用的驱动器拓扑以及无位置传感器控制算法3个方面阐述高速电机无位置传感器控制的研究现状。在此基础上，总结高速电机无位置传感器控制发展所面临的困难和挑战，并对其技术发展趋势进行展望，对高速电机无位置传感器控制技术的广泛应用具有一定的指导意义。
1）高速电机精确建模与解耦控制
高速电机运行在高速区间时，电压模型中的交直轴耦合以及数字实现延迟愈发严重，这会影响高速电机无位置传感器下的位置估计精度。建立考虑交叉耦合以及数字延迟的精确数学模型是提升高速电机无位置传感器控制性能的基础。改善延迟问题的解耦思路按“模型论”到“控制论”的技术路线可分为标量解耦、复矢量解耦、观测器解耦和智能算法解耦四大类，如图2所示
图1 考虑耦合与延迟后的永磁同步电机控制系统模型
图2 解耦技术性能发展趋势图
由于高速电机电感值较小，直接采用传统两电平逆变器拓扑驱动高速电机时定子电流高频谐波更为突出，严重影响无位置传感器控制时的精度，故在实际应用时，常需对两电平驱动器结构进行一定的改进，具体改进思路如图3所示，包括：①加装硬件滤波装置直接滤除高频谐波；②采用多电平变换器输出更接近于正弦波的三相电压；③增加前级变换器减小斩波引起的高频谐波；④采用电流源逆变器替代电压源逆变器直接控制三相电流等。
图3 高速电机所用驱动器拓扑的改进思路
3）高速电机无位置传感器控制算法
高速电机无位置传感器控制算法根据是否基于电机基波模型可分为两大类，分别适用于中高速运行区间和零低速运行区间。高速电机高基频和小电感的特点使得高速电机相对比普通转速电机在全速域高性能无位置传感器控制方面的困难更大，无论是从驱动器拓扑硬件方面，还是无位置传感器控制算法软件方面，都面临着巨大的挑战。
图4 高速电机无位置传感器控制研究
引文信息
夏长亮，叶梦婷．高速电机无位置传感器控制关键技术与前景展望[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：6991-7006.
XIA Changliang，YE Mengting．Key technologies and prospects of high-speed motor sensorless control[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6991-7006(in Chinese)．
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责编：陈 娟
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