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高性能永磁同步電機控制系統(tǒng)中，為了準確獲取轉(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，控制成本增加等問題。

為解決此類問題，許多學者對高頻信號注入算法、龍伯格觀測器算法、反電動勢觀測算法和滑模觀測器算法等無傳感器算法進行了大量研究，由于無傳感器算法過度依賴電機本身，會造成低速運行不可靠，無法確定轉(zhuǎn)子位置估算的準確性等問題，因此，可考慮利用低成本的低分辨率開關(guān)型霍爾位置傳感器實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)子位置估計。

開關(guān)型霍爾位置傳感器在一個電周期內(nèi)只能提供6個準確位置信息。有學者提出平均速度算法，根據(jù)霍爾信號將轉(zhuǎn)子一周分為6個霍爾扇區(qū)，以霍爾扇區(qū)的平均速度代替瞬時速度進行連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算，但是電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，估算結(jié)果的準確性大大降低。

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，減小了電機加速減速時轉(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。

有學者提出一種基于同步坐標系濾波法的轉(zhuǎn)子位置觀測方法，把經(jīng)過分解的離散信號看作是真實信號和噪聲的疊加，經(jīng)過低通濾波器得到期望的信號。由于濾波器參數(shù)確認相對復雜，并且當相鄰霍爾區(qū)間轉(zhuǎn)速發(fā)生較大變化時，濾波效果明顯降低。

有學者提出帶反饋解耦的位置矢量跟蹤觀測器，該觀測器把離散霍爾信號矢量通過離散快速傅里葉變換方式分解為無限多個旋轉(zhuǎn)矢量的疊加，可降低觀測器輸入的噪聲含量，提高觀測器性能。然而，如何選擇離散傅里葉展開式項數(shù)來對應不同的轉(zhuǎn)速是該方法應用的難點。

為減小系統(tǒng)運行狀態(tài)對位置估算的影響，Seung-Ki Sul等提出一種級聯(lián)觀測器。級聯(lián)觀測器由兩個結(jié)構(gòu)類似的觀測器組成，初級觀測器的輸出作為次級觀測器的輸入，并且兩個觀測器均含有轉(zhuǎn)矩前饋，但是，級聯(lián)觀測器如果想要在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)較好的觀測結(jié)果，需要對轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)和觀測器參數(shù)進行協(xié)同設計。

江蘇科技大學電子信息學院、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)子位置觀測算法。該算法包含兩個改進的算法模型：改進的一階加速度算法和改進的滑模觀測器算法。對傳統(tǒng)一階加速度算法進行改進，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，對滑模觀測器估算的轉(zhuǎn)子位置進行分段線性校正，提出了一種基于霍爾傳感器和滑模觀測器算法的改進滑模觀測器算法，最后將經(jīng)過一階改進加速度算法和改進的滑模觀測器算法計算的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子速度進行加權(quán)平均，得到校正的估算轉(zhuǎn)子位置和速度。

圖4 新型轉(zhuǎn)子位置觀測算法結(jié)構(gòu)框圖

在電機低速運行時，引入交軸電流進行加速度估算，根據(jù)估算加速度改進一階加速度算法，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠起動。在電機中高速運行時根據(jù)轉(zhuǎn)子在單霍爾區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)調(diào)節(jié)滑模觀測器與改進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的影響，完成轉(zhuǎn)子位置精確估算。通過離散位置信號對滑模觀測器估算結(jié)果進行加權(quán)校正，解決位置誤差累計問題。

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)子位置觀測算法。根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將電機運行狀態(tài)分段。低速時，引入交軸電流進行轉(zhuǎn)子加速度估算，根據(jù)估算加速度改進一階加速度算法，改善起動轉(zhuǎn)子位置估算滯后問題。

中高速時，根據(jù)轉(zhuǎn)子在單霍爾區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)調(diào)節(jié)滑模觀測器與改進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的影響。通過離散位置信號對滑模觀測器估算結(jié)果進行加權(quán)校正，解決位置誤差累計問題。

2）以一臺兼有2500線編碼器和霍爾位置傳感器的永磁同步電機為實驗對象，對基于本文觀測算法下的電機起動和穩(wěn)態(tài)過程中的電機響應波形進行分析研究，考慮電機轉(zhuǎn)速大小突變對轉(zhuǎn)子位置估計的影響。

對比傳統(tǒng)一階加速度算法與滑模觀測算法獲得的響應波形，表明本文提出的永磁同步電機新型轉(zhuǎn)子位置觀測算法具有較高的綜合控制性能，轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估算準確，能夠有效改善傳統(tǒng)一階加速度算法的滯后問題，同時能有效克服低速工況運行時滑模觀測器觀測不準確轉(zhuǎn)速突變導致的位置估計誤差增大問題。下一步將重點研究控制策略的工程化問題，以期實現(xiàn)其實際工程應用。

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