电工电气杂志社

永磁同步电机无位置传感器控制现状和展望

来源：电工电气发布时间：2023-03-04 12:04 浏览次数：397

永磁同步电机无位置传感器控制现状和展望

生龙^1，2，刘立昊¹，叶永强³

(1 中国石油大学(北京) 信息科学与工程学院，北京 102249；

2 中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依 834000；

3 南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 211106)

摘要： 永磁同步电机 (PMSM) 的无位置传感器控制是当前电机控制领域的研究热点。针对永磁同步电机无位置传感器控制中基于反电动势观测以及电感凸极性的位置估计方法进行归纳总结。分别对滑模观测器法、模型参考自适应法、龙伯格观测器法、扩展卡尔曼滤波器法、无迹卡尔曼滤波器法和高频信号注入法的基本理念进行了介绍，通过比较每种方法的优势和不足，并根据其缺点归纳了目前主要的改进方法，并阐述了全速范围内两大控制方法的结合策略，且对无位置传感器控制的研究趋势进行了展望。

关键词： 永磁同步电机；无位置传感器；滑模观测器法；模型参考自适应法；龙伯格观测器法；扩展卡尔曼滤波器法；无迹卡尔曼滤波器法；高频信号注入法

中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)02-0001-08

Status and Prospect on No Position Sensor Control of

Permanent Magnet Synchronous Motor

SHENG Long^1,2, LIU Li-hao¹, YE Yong-qiang³

（1 College of Information Science and Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China;

2 College of Engineering, China University of Petroleum-Beijing at Karamay, Karamay 834000, China;

3 College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China）

Abstract: The no position sensor control of permanent magnet synchronous motor (PMSM), is the current hot research topic in the field of motor control. In this paper, the position estimation method based on back electromotive force observation and inductance saliency in the no position sensor control of PMSM is reviewed. Then, the paper respectively introduces the basic concept of sliding mode observer (SMO),model reference adaptive system (MRAS), Luenberger observer (LO), extended Kalman filter (EKF), unscented Kalman filter (UKF) and high frequency injection method (HFIM). Finally, the paper summarizes the current main improvements according to their shortcomings by comparing the advantages and disadvantages of each method, describes the strategy that combines two control methods in the whole-speed range, and makes expectation on research trend of the no position sensor control.

Key words: permanent magnet synchronous motor(PMSM); no position sensor; sliding mode observer (SMO); model reference adaptive system (MRAS); Luenberger observer (LO); extended Kalman filter (EKF); unscented Kalman filter (UKF) ; high frequency injection method (HFIM)

参考文献

[1] 丁文，梁得亮，罗战强. 两级滤波滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制[J] . 电机与控制学报，2012，16(11)：1-10.

[2] 尚喆，赵荣祥，窦汝振. 基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制研究[J] . 中国电机工程学报，2007，27(3)：23-27.

[3] YAN L, CHEN Y Q, PODLUBNY I.Stability of Fractional-Order Nonlinear Dynamic Systems:Lyapunov Direct Method and Generalized Mittag-Leffler Stability[J].Computers &Mathematics with Applications，2010，59(5)：1810-1821.

[4] HUANG Y B, WU F.A Sensorless Control Method for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Fractional-Order Sliding Mode Observer [C]//2020 IEEE 5th Information Technology and Mechatronics Engineering Conference，2020.

[5] 王悍枭，刘凌，吴华伟. 改进型滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制策略[J] . 西安交通大学学报，2016，50(6)：104-109.

[6] YE S C , YAO X X . An Enhanced SMO-Based Permanent-Magnet Synchronous Machine (PMSM) Sensorless Drive Scheme with Current Measurement Error Compensation[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2021，9(4)：4407-4419.

[7] GONG C, HU Y H, GAO J Q, et al.An Improved Delay-Suppressed Sliding Mode Observer for Sensorless Vector-Controlled PMSM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2020，67(7)：5913-5923.

[8] 涂志文，蒋成明，涂群章，等. 基于改进型 SMO 的 PMSM 无传感器控制方法[J] . 装备制造技术，2020(11)：12-17.

[9] JIAN H Y, SONG W X.A sliding mode observer of IPMSM combining adaptive synchronous filter and back EMF estimator[C]//2020 7th International Forum on Electrical Engineering and Automation(IFEEA)，2020.

[10] DWIVEDI P K, SETH A K, SINGH M.Sensorless Speed Control of PMSM Motor for Wide Speed Range[C]//2021 1st International Conference on Power Electronics and Energy (ICPEE)，2021.

[11] 钟臻峰，金孟加，沈建新. 基于分段 PI 调节器的模型参考自适应永磁同步电动机全转速范围无传感器控制[J] . 中国电机工程学报，2018，38(4)：1203-1211.

[12] WEI F, WANG Y, LIANG Q W, et al.Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Improved Model Reference Adaptive System[C]//2019 Chinese Automation Congress (CAC)，2019.

[13] 廖自力，解建一，赵其进，等. 基于改进型 MRAS 的永磁同步电机无位置传感器控制方法研究[J] .微电机，2020，53(11)：100-105.

[14] SAIHI L, BOUTERA A.Robust sensorless sliding mode control of PMSM with MRAS and Luenberger extended observer [C]// International Conference on Modelling, Identification and Control，2016.

[15] CHEN G P, YAO W, ZHANG W.Feedback Gain Design of Adaptive Luenberger Observer on PMSM Sensorless Control[C]//Proceedings of the 2019 2nd International Conference on Electronics and Electrical Engineering Technology，2019.

[16] ZHANG X L , TIAN G Y , YONG H , et al . A Comparative Study of PMSM Sensorless Control Algorithms : Model Based vs Luenberger Observer[C]//IEEE Vehicle Power & Propulsion Conference，2016.

[17] 吕莹，石伟，林联伟，等. 基于 Luenberger 观测器 PMSM 无传感器控制策略[J] . 汽车零部件，2020(12)：1-6.

[18] BOLOGNANI S, TUBIANA L, ZIHLIOTTO M.Extended Kalman Filter Tuning in Sensorless PMSM Drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(6)：1741-1747.

[19] MING T, LIN G, LIANG D.Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Using an Optimized and Normalized Extended Kalman Filter[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS)，2011.

[20] 谷涛，李孟秋，黄庆，等. 基于 EKF 的永磁同步电机无位置传感器控制[J] . 电源技术，2016，40(2)：430-433.

[21] ZHENG Z D, LI Y D, FADEL M, et al.A Rotor Speed and Load Torque Observer for PMSM Based on Extended Kalman Filter[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology，2006.

[22] JANG J S, PARK B G, KIM T S, et al.Parallel Eeduced-Order Extended Kalman Filter for PMSM Sensorless Drives[C]//34th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2008.

[23] 李高林. 基于扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机的无位置传感器控制[D]. 长沙：湖南大学，2011.

[24] AKRAD A, HILAIRET M, DIALLO D.A sensorless PMSM drive using a two stage extended Kalman estimator[C]//34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics，2008.

[25] WANG W J, ZHANG M, WU Q H.Application of Reduced-Order Extended Kalman Filter in Permanent Magnet Synchronous Motor Sensorless Regulating System[C]//2010 International Conference on Digital Manufacturing and Automation(ICDMA)，2010.

[26] SMIDL V, PEROUTKA Z.Reduced-order squareroot EKF for sensorless control of PMSM drives[C]//37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society，2011.

[27] FUENTES E, KENNEL R.Sensorless-Predictive Torque Control of the PMSM Using a Reduced Order Extended Kalman Filter [C]//2011 Symposium on Sensorless Control for Electrical Drivers，2011.

[28] KUNG Y S, HIEU N T.Simulink/ModelSim Co-Simulation of Sensorless PMSM Speed Controller Using Reduced-Order Extended Kalman Filter[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2012.

[29] 何鸿飞. 基于两段式扩展卡尔曼滤波算法的永磁同步电机无位置传感器转子位置估算[D] . 石家庄：河北科技大学，2017.

[30] 江俊，沈艳霞，纪志成. 基于 EKF 的永磁同步电机转子位置和速度估计[J] . 系统仿真学报，2005，17(7)：1704-1707.

[31] DCHICH K, ZAAFOURI A, CHBEB A, et al.Position Sensorless Robust Control of PMSM Using the Extended Kalman Filter Algorithm[J].International Review on Modelling and Simulations，2013，6(2)：380-386.

[32] TALLA J, PEROUTKA Z.Neural network aided unscented Kalman filter for sensorless control of PMSM[C]//14th European Conference on Power Electronics and Applications，2011.

[33] 吴贤勇. 基于自适应 UKF 的永磁同步电机无传感器控制研究[D]. 青岛：青岛科技大学，2020.

[34] NI R G , LU K Y , BLAABJERG F , et al . A comparative study on pulse sinusoidal high frequency voltage injection and INFORM methods for PMSM position sensorless control[C]//42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2016.

[35] 秦峰，贺益康，刘毅，等. 两种高频信号注入法的无传感器运行研究[J] . 中国电机工程学报，2005，25(5)：116-121.

[36] 胡家兵，贺益康，年珩，等. 基于磁饱和凸极效应的面贴式 PMSM 零速下无传感器技术[J]. 中国电机工程学报，2006，26(10)：152-157.

[37] 刘颖，周波，李帅，等. 转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测[J] . 中国电机工程学报，2011，31(18)：48-54.

[38] 李洁，周波，刘兵，等. 表贴式永磁同步电机无位置传感器起动新方法[J] . 中国电机工程学报，2016，36(9)：2513-2520.

[39] 杜博超，崔淑梅，宋立伟，等. 一种基于变频电流信号的 IPMSM 无位置传感器高频注入电流噪声抑制方法[J] . 电工技术学报，2020，35(18)：3830-3837.

[40] 杨雷. 基于高频信号注入永磁电机无传感器控制降噪策略[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[41] BI G, WANG G, ZHANG G, et al.Low-Noise Initial Position Detection Method for Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drives[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2020，35(12)：13333-13344.

[42] 吴春，董士帆，钟德刚，等. 基于电流过采样的永磁同步电机电压脉冲注入无位置传感器控制[J] .电工技术学报，2018，33(24)：5678-5687.

[43] 刘计龙，付康壮，麦志勤，等. 基于双频陷波器的改进型高频脉振电压注入无位置传感器控制策略[J]. 中国电机工程学报，2021，41(2)：749-759.

[44] NI R G, XU D G, BLAABJERG F, et al.Square-Wave Voltage Injection Algorithm for PMSM Position Sensorless Control With High Robustness to Voltage Errors[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(7) ：5425-5437.

[45] BAO D Y, YI W, PAN X W, et al.Improved sensorless control method combining SMO and MRAS for surface PMSM drives[C]//IEEE Industry Applications Society Annual Meeting，2017.

[46] 姚莹，李伟，金海，等. 基于龙贝格观测器的 PMSM 无位置传感器控制系统设计[J] . 电子科技，2020，33(10)：45-50.

[47] 陈卫兵，宗蔚，张凯泉，等. 基于龙伯格观测器的内埋式永磁同步电机无位置控制算法[J] . 湖南工业大学学报，2016，30(2)：21-25.

[48] 张震，沈学珂，程欣. 永磁同步电机全速范围内无位置传感器控制[J] . 郑州大学学报(工学版)，2019，40(2)：35-40.

返回索引列表

Article retrieval

文章检索

永磁同步电机无位置传感器控制现状和展望