低分辨率位置传感器永磁同步电机精确位置估计方法综述
哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院的研究人员倪启南、杨明、徐殿国、刘晓胜，在2017年第22期《电工技术学报》上撰文指出，伺服电机在装备制造、新能源和家电等领域有着广阔的应用，为得到高精度转子位置信息，通常采用旋转变压器或光电编码器等高分辨率位置码盘，但其价格普遍较高，增加了系统设计成本。
而无传感器技术当前还很难全面满足工业及家电等领域的应用要求。低分辨率位置传感器永磁同步电机驱动技术是一种能够保证电机运行性能，同时能有效控制系统成本、提高系统可靠性的转子位置检测技术，受到国内外产业界的广泛关注。
介绍开关型霍尔位置传感器的使用方法与工作原理，总结原始霍尔位置信息误差的来源与校正方法；重点讨论基于插值法、同步坐标系滤波器法和观测器法的转子位置/转速估算策略，从提高低分辨率位置传感器电机系统低速性能等方面分析和比较不同估算策略的原理、优缺点、适用范围及应用情况；最后，总结现有研究成果及有待解决的问题。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）凭借着运行可靠、效率高和体积小等优点逐渐成为交流调速和伺服领域的主流。尤其在数字控制系统中，矢量控制和空间矢量脉宽调制方法的应用使得永磁同步电机能够实现高性能的速度和位置控制。目前，PMSM在加工制造业、新能源汽车和家电等领域都有着广泛的应用。
在高性能PMSM控制系统中，为了调节转子速度和位置，一般需要在电机转子轴端安装位置传感器用于转速和位置闭环控制。常用的高精度位置传感器有光电编码器和旋转变压器，但这些传感器在实际应用中会带来很多问题，比如硬件结构复杂、系统成本增加、接口和电缆增多导致系统可靠性降低、引入电磁干扰等。
为了解决这些问题，在过去的40年里国内外学者对交流电机的无位置/速度传感器控制进行了大量的研究[1-6]。无位置传感器方法可以分为工作在阈值转速之上的位置估算方法和工作在零速及低速条件下的位置估算方法两类。
对于前一种方法，转子位置估算是基于电机定子电压方程和电机参考模型实现的，受电机参数和测量限制的影响，在低速和零速条件下，无法保证转矩的可控性且控制回路带宽非常低[7-10]。
后一种方法即高频信号注入法，是基于交流电机磁场凸极特性提出的，可以实现电机在零频率时的正常工作[11-16]。但高频信号的使用会导致额外的损耗、噪声和振动，这就极大地限制了这种无位置传感器方法在工业以及家电领域中的应用。
此外，在加工制造业、新能源汽车和家电等领域，永磁同步电机的应用还以表贴式为主，由于没有磁凸极，高频信号注入法很难从感抗的变化中确定电机的转子位置。
如上所述，在家电和工业伺服等领域，无传感器方法还无法保证全速度范围下转子位置跟踪的准确性，同时在应用和实际性能表现上受电流传感器以及逆变器等非线性因素影响较大，目前还无法实现兼顾成本和性能的目标。因此，要实现永磁同步电机全速度范围稳定运行且具有较好的抗扰动性能，位置传感器不可移除。
低分辨率位置传感器永磁同步电机驱动技术是一种能够保证电机运行性能，同时能够有效降低控制系统成本的转子位置检测技术。以开关型霍尔位置传感器为例，其安装简单、成本低、体积小且对工作环境抗性较高。
开关型霍尔位置传感器在一个电周期内只能提供六个准确位置信息，无法实现转子位置的精确定位。因此利用六个离散的霍尔位置信号估计得到高精度的转子位置信息是霍尔传感器永磁电机驱动技术的关键，是实现低成本并且提高系统控制性能及运行可靠性的根本性解决措施，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
同时转子位置信息的估计高度依赖开关型霍尔位置传感器提供的六个准确转子位置信号，因此对其安装精度要求极高，需要对机械安装误差进行有效校正，以减小偏差，提高估算精度。
本文以开关型霍尔位置传感器为主，归纳梳理近年来的国内外关于低分辨率位置传感器电机控制的文献，详细分析了霍尔传感器安装误差矫正方法和高精度位置估算方法的基本思想及各种方法优缺点，总结现有研究进展和存在的问题。
图11 基于霍尔位置信号的矢量跟踪观测器控制框图
图12 带反馈解耦的位置矢量跟踪观测器控制框图
图13 基于霍尔位置信号的级联观测器控制框图
图14 基于反电动势电压模型的矢量跟踪观测器
结论
1）低分辨率位置传感器永磁同步电机驱动技术是一种能够保证电机运行性能，同时有效控制系统成本并提高系统可靠性的转子位置检测技术。基于低分辨率位置信号估计电机转速和转子位置的方法有很多，从模型法到非模型法，从开环控制到闭环控制。选择何种估算方法取决于实际电机系统的硬件状况和应用需求。
2）以平均速度法和平均加速度法为代表的插值法和滤波器法作为非模型法转速估计方法能够在特定速度范围内保证转速的稳定控制，但因为估算结果噪声含量较高且滞后明显，该估算方法的应用仅局限于风机、泵类等转速连续性变化较少的场合。
3）具有闭环特性的观测器转速估算方法不仅对安装误差有更好的容忍性，同时能够提高转子位置估算精度，降低转速估算误差，为拓展电机系统速度环带宽提供了可能。部分观测器方法已成功应用于洗衣机、空调等家电和电动车领域。
4）目前低分辨率位置传感器永磁同步电机正弦波驱动技术集中应用于恒转速和恒负载，正反转和调速动态性要求较低的条件下。而在数控机床等现代工业场合中转速和负载经常连续性变化，因此研究一种能够实现低分辨率位置传感器通用伺服全闭环控制的转速和位置估算技术是一个重要的研究方向。此外，从算法实际应用表现、估算方法和电机控制器协同设计入手，同时结合系统参数辨识技术也将是未来的研究热点。