原標(biāo)題：無位置傳感器的電機(jī)控制你知道嗎？看完這篇就懂了

無位置傳感器電機(jī)控制是一種在不使用機(jī)械式位置傳感器（如光電編碼器、霍爾傳感器等）的情況下，通過檢測電機(jī)的電壓、電流等電氣量來估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的技術(shù)。以下從原理、常用方法、優(yōu)勢與挑戰(zhàn)、應(yīng)用場景等方面進(jìn)行全面介紹。

一、無位置傳感器電機(jī)控制原理

在電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)的電氣參數(shù)（如電阻、電感等）與轉(zhuǎn)子位置存在一定關(guān)系，同時(shí)電機(jī)的反電動勢也隨轉(zhuǎn)子位置變化。通過檢測電機(jī)的電壓和電流信號，利用數(shù)學(xué)模型和算法對這些信號進(jìn)行處理和分析，就可以估算出轉(zhuǎn)子的位置和速度信息，然后根據(jù)這些估算值對電機(jī)進(jìn)行控制，使其按照預(yù)期的方式運(yùn)行。

二、常用控制方法

1. 基于反電動勢檢測的方法

• 原理：當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場切割定子繞組會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢的大小和相位與轉(zhuǎn)子位置密切相關(guān)。通過檢測電機(jī)端電壓和電流，利用電機(jī)模型計(jì)算出反電動勢，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子位置。

• 適用電機(jī)：主要適用于無刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）。

• 示例：在BLDC中，通過檢測未導(dǎo)通相的反電動勢過零點(diǎn)來確定換相時(shí)刻。當(dāng)某一相未導(dǎo)通時(shí)，該相繞組中的反電動勢會經(jīng)過零點(diǎn)，通過檢測這個(gè)過零點(diǎn)并延遲一定電角度（通常為30°電角度）后進(jìn)行換相操作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2. 基于電機(jī)模型和參數(shù)辨識的方法

• 原理：建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用檢測到的電壓、電流等信號，通過參數(shù)辨識算法（如最小二乘法、卡爾曼濾波等）實(shí)時(shí)估計(jì)電機(jī)的參數(shù)（如電阻、電感、磁鏈等），然后根據(jù)電機(jī)模型和估計(jì)的參數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置和速度。

• 適用電機(jī)：適用于各種類型的電機(jī)，尤其是對控制精度要求較高的場合。

• 示例：在PMSM控制中，建立電機(jī)的dq軸數(shù)學(xué)模型，通過檢測電機(jī)的三相電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到dq軸電流，然后利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置和磁鏈等狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制。

3. 高頻信號注入法

• 原理：向電機(jī)繞組中注入高頻電壓或電流信號，由于電機(jī)磁路的非線性，注入的高頻信號會在電機(jī)中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的高頻響應(yīng)信號。通過檢測和分析這個(gè)高頻響應(yīng)信號，提取出轉(zhuǎn)子位置信息。

• 適用電機(jī)：特別適用于低速甚至零速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子位置檢測，常用于PMSM的低速控制。

• 示例：在PMSM靜止或低速運(yùn)行時(shí)，向電機(jī)的d軸注入高頻正弦電壓信號，此時(shí)電機(jī)中會產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置信息的高頻電流響應(yīng)。通過對高頻電流響應(yīng)進(jìn)行解調(diào)處理，就可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息。

三、優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

1. 優(yōu)勢

• 降低成本：省去了機(jī)械式位置傳感器，減少了硬件成本和安裝調(diào)試成本。

• 提高可靠性：避免了因傳感器故障導(dǎo)致的電機(jī)控制失效問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

• 減小體積和重量：沒有傳感器的安裝空間需求，使得電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的體積和重量減小，適用于對空間和重量有嚴(yán)格要求的場合。

2. 挑戰(zhàn)

• 估算精度問題：在電機(jī)啟動、低速運(yùn)行或負(fù)載突變等情況下，基于電氣量估算轉(zhuǎn)子位置和速度的精度可能會受到影響，導(dǎo)致控制性能下降。

• 算法復(fù)雜性：無位置傳感器控制算法通常比較復(fù)雜，需要較高的計(jì)算能力和專業(yè)的算法知識來實(shí)現(xiàn)，增加了軟件開發(fā)的難度和成本。

• 參數(shù)敏感性：電機(jī)參數(shù)的變化（如溫度升高導(dǎo)致電阻變化）會影響估算算法的準(zhǔn)確性，需要對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識和補(bǔ)償。

四、應(yīng)用場景

1. 家電領(lǐng)域：如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品中的電機(jī)，采用無位置傳感器控制可以降低成本、提高可靠性，并且適應(yīng)家電產(chǎn)品小型化、輕量化的發(fā)展趨勢。

2. 電動汽車：在電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，無位置傳感器控制可以減少傳感器帶來的故障風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)也有助于減輕整車重量，提高續(xù)航里程。

3. 工業(yè)自動化：在一些對空間和成本有要求的工業(yè)自動化設(shè)備中，如小型機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等，無位置傳感器電機(jī)控制技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

五、發(fā)展趨勢

1. 算法優(yōu)化：不斷研究和開發(fā)更精確、更魯棒的估算算法，提高無位置傳感器控制在各種工況下的性能，尤其是低速和零速運(yùn)行時(shí)的控制精度。

2. 多傳感器融合：將無位置傳感器控制與其他傳感器（如加速度計(jì)、陀螺儀等）的信息進(jìn)行融合，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子位置和速度的估算精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。

3. 智能化控制：結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，使電機(jī)能夠根據(jù)不同的負(fù)載和運(yùn)行條件自動調(diào)整控制參數(shù)，提高能源利用效率和控制性能。

無位置傳感器電機(jī)控制技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，相信這些問題將逐步得到解決，無位置傳感器電機(jī)控制將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。