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新型观测算法，可精确估算永磁同步电机的转子位置
风雨同行 共克时艰
为了获得较高精度的永磁同步电机转子位置，江苏科技大学电子信息学院、常熟瑞特电气股份有限公司的研究人员张懿、张明明、魏海峰、李垣江、刘维亭，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于开关型霍尔位置传感器的新型转子位置观测算法。新型观测算法可减小一阶加速度算法滞后性与霍尔传感器安装误差带来的影响，能在宽速度范围内精确地估算电机转子位置，实现永磁同步电机矢量控制系统的高性能控制。
高性能永磁同步电机控制系统中，为了准确获取转速闭环和空间矢量脉冲调制所需要的转子速度和位置信息，需要在电机转子轴端安装如增量式编码器、光电式编码器和旋转变压器等高精度的位置传感器。高精度位置传感器的引入可以保证电机较好的控制效果，但也造成系统的可靠性降低，控制成本增加等问题。
为解决此类问题，许多学者对高频信号注入算法、龙伯格观测器算法、反电动势观测算法和滑模观测器算法等无传感器算法进行了大量研究，由于无传感器算法过度依赖电机本身，会造成低速运行不可靠，无法确定转子位置估算的准确性等问题，因此，可考虑利用低成本的低分辨率开关型霍尔位置传感器实现高精度转子位置估计。
开关型霍尔位置传感器在一个电周期内只能提供6个准确位置信息。有学者提出平均速度算法，根据霍尔信号将转子一周分为6个霍尔扇区，以霍尔扇区的平均速度代替瞬时速度进行连续的转子位置和转速估算，但是电机转速发生变化时，估算结果的准确性大大降低。
Scelba G.等在平均速度算法的基础上引入转子加速度，提出一阶加速度算法，减小了电机加速减速时转子位置估算误差，但是平均速度算法和一阶加速度算法作为两种无模型算法，估算结果噪声大且明显滞后，难以满足较高精度的控制要求。
有学者提出一种基于同步坐标系滤波法的转子位置观测方法，把经过分解的离散信号看作是真实信号和噪声的叠加，经过低通滤波器得到期望的信号。由于滤波器参数确认相对复杂，并且当相邻霍尔区间转速发生较大变化时，滤波效果明显降低。
有学者提出带反馈解耦的位置矢量跟踪观测器，该观测器把离散霍尔信号矢量通过离散快速傅里叶变换方式分解为无限多个旋转矢量的叠加，可降低观测器输入的噪声含量，提高观测器性能。然而，如何选择离散傅里叶展开式项数来对应不同的转速是该方法应用的难点。
为减小系统运行状态对位置估算的影响，Seung-Ki Sul等提出一种级联观测器。级联观测器由两个结构类似的观测器组成，初级观测器的输出作为次级观测器的输入，并且两个观测器均含有转矩前馈，但是，级联观测器如果想要在较宽的频率范围内实现较好的观测结果，需要对转速环参数和观测器参数进行协同设计。
江苏科技大学电子信息学院、常熟瑞特电气股份有限公司的研究人员提出一种新型转子位置观测算法。该算法包含两个改进的算法模型：改进的一阶加速度算法和改进的滑模观测器算法。对传统一阶加速度算法进行改进，利用交轴电流估算转子位置，并引入霍尔传感器输出的位置信号，对滑模观测器估算的转子位置进行分段线性校正，提出了一种基于霍尔传感器和滑模观测器算法的改进滑模观测器算法，最后将经过一阶改进加速度算法和改进的滑模观测器算法计算的转子位置和转子速度进行加权平均，得到校正的估算转子位置和速度。
图4 新型转子位置观测算法结构框图
在电机低速运行时，引入交轴电流进行加速度估算，根据估算加速度改进一阶加速度算法，实现系统可靠起动。在电机中高速运行时根据转子在单霍尔区间内的状态调节滑模观测器与改进的一阶加速度算法权值，减小一阶加速度算法滞后性与霍尔传感器安装误差带来的影响，完成转子位置精确估算。通过离散位置信号对滑模观测器估算结果进行加权校正，解决位置误差累计问题。
研究者最后得出结论：
1）提出了一种转子位置新型转子位置观测算法。根据转子转速将电机运行状态分段。低速时，引入交轴电流进行转子加速度估算，根据估算加速度改进一阶加速度算法，改善起动转子位置估算滞后问题。
中高速时，根据转子在单霍尔区间内的状态调节滑模观测器与改进的一阶加速度算法权值，减小一阶加速度算法滞后性与霍尔传感器安装误差带来的影响。通过离散位置信号对滑模观测器估算结果进行加权校正，解决位置误差累计问题。
2）以一台兼有2500线编码器和霍尔位置传感器的永磁同步电机为实验对象，对基于本文观测算法下的电机起动和稳态过程中的电机响应波形进行分析研究，考虑电机转速大小突变对转子位置估计的影响。
对比传统一阶加速度算法与滑模观测算法获得的响应波形，表明本文提出的永磁同步电机新型转子位置观测算法具有较高的综合控制性能，转子位置及转速估算准确，能够有效改善传统一阶加速度算法的滞后问题，同时能有效克服低速工况运行时滑模观测器观测不准确转速突变导致的位置估计误差增大问题。下一步将重点研究控制策略的工程化问题，以期实现其实际工程应用。
以上研究成果已发表在2019年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于霍尔传感器的永磁同步电机高精度转子位置观测”，作者为张懿、张明明、魏海峰、李垣江、刘维亭。
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