軍用車輛輪轂電機無位置傳感器技術研究進展

廖自力，解建一，袁 東，趙其進

(陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系， 北京 100072)

隨著軍事技術的迭代變革，未來信息化戰爭形式多樣，將是陸、海、空、天一體化聯合作戰。對于陸戰裝備而言，應具備精確的打擊能力、快速的突擊能力、高效的防護能力以及未來的無人戰斗能力[1]。面對新一輪軍事變革的需求，集電驅動、電武器、電防護、綜合信息作戰能力于一體的全電化裝甲車輛成為世界各國陸戰裝備研究的熱點[2-4]。作為全電化裝甲車輛的核心，電驅動系統相較以往傳統的機械傳動機構，將動力通過驅動電機和減速器直接傳遞給履帶或車輪，具有動態響應快、控制精度高、維修簡便、高效等優點[5]。

電機作為電傳動裝甲車輛的直接動力來源，其品質好壞直接影響車輛的性能。針對電機及其驅動系統，中國工程院院士、海軍工程大學馬偉明教授提出“高可靠性、高精度、高功率密度、高適應性、低排放、多功能復合”的應用需求[6]，為電機系統高品質運行性能指明了發展方向。近些年，軍用車輛輪轂電機驅動技術的研究得到廣泛關注，輪轂電機獨特的布置方式和結構特點，對提升軍用車輛的綜合性能有顯著的作用，主要表現在：每一個電動輪都是獨立可控的驅動單元，當個別電動輪發生故障時，其他電動輪仍能驅動車輛行駛，保持機動能力，這有效提升了戰場生存能力，對戰斗車輛尤為重要；同時，相比于機械轉向結構，獨立的電動輪結構可以更容易實現線控轉向和全輪轉向，極端情況下，利用電機的反轉能力，能夠實現類似履帶車輛的滑差轉向，甚至原地轉向，這有效提高了車輛的轉向性能；另外，簡化了復雜的機械傳動裝置后，電機通過輪邊減速器與車輪相連，縮短了動力傳輸路徑，有效提升了驅動系統效率?；诖?，多個國家已將輪轂電機驅動車輛作為新一代軍用車輛的重要發展方向之一[7-8]。

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有功率密度高、轉矩慣量比大、動態響應速度快等優點[9]，在大功率交流傳動領域具有明顯的優勢，隨著近些年永磁材料性能的不斷提高、電力電子技術以及控制技術的不斷進步，目前已成為裝甲車輛輪轂電機的最佳選擇。PMSM的高性能控制依賴于對轉子位置的精確測量，測量方式通常是使用光電編碼器、旋轉變壓器等機械式傳感器[10]，然而機械式傳感器的應用導致電機系統產生諸多問題：安裝高精度、高響應的傳感器成本較高，成本不局限于傳感器的價格，還包括隱蔽良好的接線以及插頭、可靠的機械安裝及保護等；部分傳感器的安裝可能引發同心度問題[11-12]，與實際轉子位置出現偏差；傳感器的使用增加了系統的控制接口和接線，系統容易受到外部機械環境及電磁環境的干擾，可靠性降低；傳感器體積和質量較大，降低了系統的功率密度[13-14]。綜合上述諸多缺點，必須考慮一種合理的方案改善或取代機械式傳感器，無位置傳感器控制技術應運而生。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

從20世紀70年代到現在，世界各國對電機無位置傳感器的研究便一直沒有停止過，特別是近些年，更是成為電機及其控制領域的研究熱點。

無位置傳感器的研究最先開始于感應電機，1975年A.Abbondanti等[15]推導出依賴于穩態方程的轉差頻率估計方法，雖然辨識度不夠精確而且調速范圍小，但開啟了無傳感器研究的先河；1979年，M.Ishida等[16]通過對轉子齒諧波的觀測實現對感應電機的轉速辨識，但因為當時控制芯片能力有限，只在一定的轉速范圍內達到預期的效果；1983年，R.Joetten[17]最先在矢量控制中運用無傳感器控制方法并產生深遠的影響，直到現在，國內外都還有許多學者將研究重心放在基于矢量控制的無傳感器控制中，相繼取得了可人的成果；1985年，德國大電機研究所學者運用擴展卡爾曼濾波器方法進行速度辨識，得到比較好的效果；1986年，日本學者T.Furuhashi[18]提出了滑模觀測器法，該算法基于滑模觀測器理論，構造了滑模平面，利用定子電流誤差，重構電機反電勢，進而估算轉子位置；1993年，美國M.J.Coney和R.D.Lorenz教授[19]提出了高頻信號注入法，并用于PMSM調速研究，引起了各界學者廣泛關注；2002年芬蘭學者VM.Leppanen和JormaLuomi等[20]采用低頻信號注入的方法，并將其成功應用于隱極式PMSM，顯著提升了低速辨識精度；2003年韓國教授S.K.Sul等[21]提出了脈振高頻電壓注入法，在d軸方向注入高頻電壓，促進d軸磁路飽和，激發出PMSM的飽和凸極特性并加以追蹤實現位置檢測；2004年，英國拉夫堡大學的陳文華教授[22]提出設計一種特殊的擾動觀測器模型的方法，借助中間變量的變換，省去了對狀態變量的微分運算過程，有效降低了系統對噪聲信號的敏感度；2010年，Gilbert等[23]采用自適應滑模觀測器，低速階段利用其他方法來修正估計值以改善低速時的性能，從而實現在全速度范圍內的控制；2012年，Villet W.T.等[24]通過滯環控制綜合了高頻注入法與模型法，克服了復雜度較高、切換過程會出現電流尖峰等困難后，大致實現了無位置傳感器的全速度范圍運行；Hieu N.T等[25]將高頻脈振信號注入法與滑模觀測器相結合，在兩者策略切換過程利用線性加權函數來過渡。2014年，Park N等[26]提出一種簡化的方波注入法信號處理方法，但忽略了位置跟蹤器對PMSM無位置傳感器控制性能的影響，這有待進一步改進。

1.2 國內研究現狀

國內無位置傳感器控制的研究起步相對較晚，但發展飛速。國內眾多專家學者在廣泛學習國外研究技術的同時，深入思考，在近些年針對不同交流電機提出許多無位置傳感器控制方法，目前國內無位置傳感器控制取得了較好進展。文獻[27]提出了一種PMSM無位置傳感器啟動方法，基于雙dq空間，來完成電流頻率比控制與磁鏈估計法的過渡切換；文獻[28]對高頻信號注入法深入研究分析，并將該方法分類為傳統的高頻正弦波注入法、改進的高頻正弦波注入法和高頻非正弦波注入法三類，3種方法中的實施方案文中都詳細進行了介紹，對三種方法進行了對比分析，并指明各個方案的特點及優缺點；文獻[29]提出一種新型的轉子位置角觀測器，在轉子回路注入高頻脈動電流，利用電磁轉矩閉環將同頻率的高頻脈動分量注入電磁轉矩中，基于鎖相環原理觀測出轉子位置角，據此實現直接轉矩控制電勵磁同步電機驅動系統在零轉速及低轉速時無位置傳感器運行；文獻[30]選取三相PMSM，在推導包含轉速變量的三階系統狀態方程后，得出基于擴展卡爾曼濾波算法的動子速度估計值，并提出一種低階串行的雙擴展卡爾曼濾波算法，較好地提高了狀態估計精度；文獻[31]結合滑模觀測器及模型自適應兩種方法特點，提出一種滑模參考自適應觀測系統觀測器，有效提高定子電流的波形質量，精確估計出PMSM轉子位置和速度，且魯棒性好；文獻[32]基于標幺化位置誤差信息融合，提出一種單龍貝格位置觀測器的復合控制方法，將方波電壓注入法和反電動勢模型法分別用于零、低速和中高速階段，以此獲得標幺化位置誤差信號，在速度過渡區內，將速度信息對標幺化位置誤差信號進行加權融合，利用單龍貝格位置觀測器對轉子位置、轉速進行實時觀測。文獻[33]提出基于雙重鎖相環的新型反電動勢滑模觀測器方案，通過主動引入非理想環節對電流信號進行延遲重構，將重構電流信號與估計位置信號進行二次鎖相，構成雙重鎖相環，有效補償了相位估計誤差。文獻[34]提出一種直接基于反電動勢諧波閉環控制的綜合諧波抑制策略，通過設計高階滑模觀測器，有效抑制了滑模抖振問題，能夠避免低通濾波器環節，從而提升電機反電動勢的觀測準確性。

無位置傳感器控制技術在近些年一直是交流電機及其控制領域的重要研究熱點，在近些年已經取得了較好進展，但是對于性能要求較高的應用場合，譬如陸戰裝備全電化裝甲車輛而言，無位置傳感器技術還有待于進一步完善，值得更進一步深入研究。

2 基于軍用車輛的無位置傳感器控制需求分析

自20世紀90年代以來，交流電機的無位置傳感器控制技術與時俱進，國內外專家學者針對不同交流電機類型及控制方式提出了許多控制策略，目前交流電機的無位置傳感器控制技術已取得良好的進展。但對于裝甲車輛驅動系統而言，需要具備低速大扭矩啟動、過載能力強、調速范圍寬以及良好的轉矩動態性能[35]，要求性能較高，無位置傳感器控制技術有待于進一步研究；同時，從目前的研究來看，單一的無傳感器控制策略作用速度區間有限，不能滿足在全速度范圍內的高性能控制，需要在零、低速及中高速分別進行控制，然后設計合理的算法完成速度區間的切換，使電機能夠在全速度范圍實現無位置傳感器可靠運行[28，36-37]；目前，對于PMSM全速度范圍內無位置傳感器控制技術研究的較多，甚至已在高鐵實現無傳感器控制無故障運行，但地方車輛與部隊裝甲車輛有著很大區別。地方上無位置傳感器控制策略設計完成后，經過試驗階段的測試，無誤即可列裝，所用設備也無需再加裝傳感器。而對于部隊而言，裝備的可靠性是第一位的，戰場上更是如此，未來實際情況中無位置傳感器控制更有可能作為全電化裝甲車輛機械式位置傳感器的備用方案，如圖1所示，即建立正常行駛-故障檢測-狀態切換的工作流程。在位置傳感器正常工作時，無位置傳感器控制算法同步運行，得到的轉子位置估計值與位置傳感器測得的實際值不斷對比優化，使得估計結果趨于最優；當位置傳感器受戰場環境影響故障時，可實現位置傳感器的預先故障辨識及控制狀態的切換，使無位置傳感器控制能夠階段性的取代位置傳感器，維持車輛的基本行駛，這是極其有意義的。

圖1 自適應容錯控制方案工作流程框圖

3 軍用車輛無位置傳感器控制關鍵技術

3.1 無位置傳感器控制方法

當前，常用的無位置傳感器控制方法主要有兩類，如圖2所示。第一類是基于定子基波反電動勢，另一類是基于電機凸極性。其中，基于反電動勢的方法主要用于電機在中、高速運行時的位置和速度辨識，包括滑模觀測器法、擴展卡爾曼濾波法、模型參考自適應法等。由于反電動勢隨著轉速升高而增大，在低速時反電動勢很小，基波模型中的有效信息容易受到其他參數和測量噪聲的影響，位置信息提取困難，這類辨識方法不再適用；基于電機凸極性的方法不依賴于電機的基波方程，在低速階段有著較好的辨識效果，這類方法一般通過電機定子側注入附加的激勵信號，依靠電機的凸極性將含有轉子位置的信號反映在電機的端電壓或電流中，據此提取出相應的響應信號后，再通過位置觀測器便能夠獲取轉子的位置和轉速，常用的注入法包括旋轉高頻電壓注入法、脈振高頻電壓注入法以及脈振方波電壓注入法。但隨著轉速的升高，基波頻率與高頻注入信號逐漸接近，高頻諧波也隨之增加，對高頻信號的提取和處理變得十分困難，這類方法也不適用于電機高速階段。因此可以看出：需要采用不同的算法來對不同速度區間的轉子位置進行辨識，最后還需要采用合理的切換算法實現全速度范圍內的復合控制，目前切換算法主要有變權重加權控制法、基于滯環控制的切換方法、基于鎖相環的位置信號切換方法[28，36-37]。

圖2 無位置傳感器常用控制方法分類框圖

下面分別對不同速度區間的位置辨識算法及全速度范圍內復合控制的典型方法進行介紹。

3.1.1零、低速無位置傳感器控制方法

這類方法基于電機凸極性，主要用于電機在零、低速運行時的位置和速度辨識，常用的方法主要有以下幾種[28]：

1) 旋轉高頻電壓注入法。旋轉高頻電壓注入法對電機凸極率要求較高，其原理是將平衡的三相高頻電壓激勵信號注入電機的兩相靜止坐標系中，檢測電機定子端所對應的高頻電流響應，響應電流的負序分量中包含著轉子位置，通過解耦位置誤差信號，即可實現轉速和轉子位置的觀測。但該方法也存在一些不足，首先是注入的旋轉高頻信號會造成q軸電流中出現脈動分量，導致電機存在轉矩脈動，運行穩定性受到影響。此外，提取負序分量過程中通常需要依靠同步軸系高通濾波器除去正相序的電流分量，這在一定程度上又增加了控制系統的復雜度。

2) 脈振高頻電壓注入法。與旋轉高頻電壓注入法不同，脈振高頻注入法只需在旋轉坐標系的d軸注入高頻信號，若將其映射在兩相靜止坐標系中，該注入信號是基頻旋轉向量和高頻脈振向量的結合。脈振高頻電壓注入法同樣可以通過檢測電流信號辨識出轉子位置，該方法僅在d軸注入信號，q軸中的電流脈動很小，由此帶來轉矩脈動和高頻損耗相對較低，在信號提取中也不需要額外的高通濾波器，只需要與注入信號同頻率的調制信號相乘就能解調出轉子位置，實現過程相對簡便。不足之處是該方法對觀測器中PI參數較為敏感，參數整定比較復雜。對于隱極式PMSM，受磁性材料的影響，一般具有飽和凸極效應，可能造成d、q軸電感值的差異，有時也可用脈振電壓注入法實現對轉子位置的辨識。

3) 脈振方波電壓注入法。方波注入法也是在d軸注入激勵信號，這點與脈振高頻電壓注入法相似，只是其信號類型為高頻方波。方波注入法的注入信號可以采用較高頻率，甚至能夠達到逆變器的最大開關頻率，系統動態響應較好，并且有助于削弱高頻噪聲，有著較好的發展空間。

其他的方法還有載波頻率法以及低頻信號注入法。其中，載波頻率法實際中對硬件的要求較高，推廣至實際產品應用較困難；低頻信號注入法其信號波處于低頻，對電機實際控制產生干擾，因此其動態性能不理想。

3.1.2中、高速無位置傳感器控制方法

這類方法基于定子基波反電動勢，主要用于電機在中、高轉速運行時的位置和速度辨識，常用的方法主要有以下幾種[36-37]：

1) 滑模觀測器法?；Ｓ^測器法利用滑動模態原理設計滑模變結構，即滑模面，使其作為系統期望運行的軌跡，當變量在滑模面兩側運行時，通過高頻率切換開關極性，使得狀態變量沿著滑模面作高頻率的上下運動，直到到達平衡點。在PMSM轉速和位置辨識系統中，滑模觀測器的設計通常依據電流狀態方程，切換函數主要有飽和函數、S形函數或者符號函數，切換函數的輸出經過低通濾波器可以得到反電動勢波形，進而直接計算出轉子位置和轉速?；Ｓ^測器法對外部擾動和系統參數變化不敏感，因此具有較好的魯棒性，但其開關過程不可避免帶來抖振問題，如何實現良好去抖是提高控制性能的關鍵。

2) 擴展卡爾曼濾波法。擴展卡爾曼濾波法是一種非線性的估計算法，其將非線性的系統線性化，再通過卡爾曼濾波遞推實現對待辨識信號的觀測，因其通過非線性狀態方程可以將系統誤差和隨機噪聲考慮在內，并且在迭代過程中用計算得到的反饋值不斷校正估計值，因此能夠抑制各種隨機擾動，魯棒性較好，同時具有良好的自適應能力，在電機運行的中、高速段能獲得較好的轉速和位置辨識效果。不足之處是該算法遞歸迭代時需要大量矩陣運算，過程復雜且需要高性能的數字處理器，如果能夠通過算法簡化迭代過程將大大提高該方法的實用性。

3) 模型參考自適應法。模型參考自適應法用于參數辨識一般包括3個主要步驟：確定參考模型和可調模型、系統穩定性分析、求解自適應律。在PMSM速度辨識中，參考模型一般為電機本體，可調模型為其電流模型，其中電流模型中包含有轉速信號。參考模型和可調模型同時運行，將兩者輸出的值作差，并以此差值構建自適應律，對可調模型中的待辨識參數(轉子的電角速度)進行實時調節，使兩個模型的輸出量趨于一致，此時估計的角速度信號也趨近于實際信號，將估計的角速度求取積分，便可以得到轉子位置。在系統穩定性分析及確定自適應律中，常用的方法有李雅普諾夫理論、波波夫超穩定性理論、局部參數最優理論等。

此外，其他基于反電動勢的方法還有磁鏈開環計算法、自抗擾控制算法、狀態觀測器法等。但上述基于電機模型的位置辨識算法一般都存在以下不足：依賴于電機的模型，因此電機運行時，電阻、電感及磁鏈等參數的動態變化均會對辨識精度產生影響。

3.1.3不同速度區間的速度切換方法

在零、低速及中、高速時分別采用兩種控制方法，在兩種辨識算法切換時會涉及轉速及位置角轉換的問題。目前常用的切換方法有以下兩種：

1) 變權重加權控制法。如圖3所示，變權重加權控制基于選中的高、低速控制方法，將兩種方法估算出的轉子位置與速度用變權重的加權控制法進行復合，獲得臨界區間估計的轉速及位置估計值，控制的關鍵在于加權因子α的選定。

圖3 無位置傳感器常用控制方法示意圖

2) 基于滯環控制的切換方法。滯環控制[38]應用于不同速度區間的切換時，在低速下的換相策略保證電機的正常換相，當轉速升高時，電機通過滯環切換，切換至增加相位的換相補償策略，實現電機平穩換相。此法能夠避免電機位置控制策略在一定轉速頻繁切換，起到保護電機的作用，但需注意滯環切換點和環寬的選取。

此外，還有基于鎖相環的位置信號切換方法、標幺化位置誤差信息融合的單龍貝格位置觀測器的復合控制方法等。但上述方法普遍存在以下不足：切換過程涉及轉速和位置角的轉換，需要在全速度范圍內同時運行兩種算法以保證切換時系統的穩定性，因此過多占用了控制系統的軟硬件資源。

3.2 位置傳感器故障檢測

PMSM的高性能控制依賴于對轉子位置的精確測量，測量方式通常是使用光電編碼器、旋轉變壓器、霍爾傳感器等機械式位置傳感器。旋轉變壓器由于抗沖擊、抗振動及環境適應性強，在全電化裝甲車輛中得到廣泛使用，旋轉變壓器定子勵磁繞組所在的磁場在轉子正、余弦輸出繞組中感應出包含電機轉軸絕對位置信息的正、余弦電壓信號，再通過專用解調芯片即可得到轉子位置信息。

考慮全電化裝甲車輛通常行駛在大起伏、高溫差、多灰塵的環境下，加之旋轉變壓器存在加工及安裝誤差，旋轉變壓器發生故障幾率增加，通常是正、余弦繞組輸出出現幅值不平衡和正交不完善故障，進而導致獲取的轉子位置信息有所偏差，引發輪轂電機電磁轉矩和轉速出現振蕩，甚至危及輪轂電機驅動系統穩定運行，致使車輛無法行駛[39-40]。因此研究位置傳感器故障預先診斷提示對于車輛安全穩定運行有著極大意義。

常見的位置傳感器故障診斷方法有以下幾種：

1) 閾值檢測法[41-42]，通過附加處理單元讀取傳感器實時采集的信號，通過邏輯診斷進行設定閾值檢測，診斷結果準確迅速。但需要診斷邏輯實時運行，這無疑會占用運算資源，且附加的處理單元會造成硬件冗余，加大診斷難度；

2) 模型診斷法[43-44]，通過對被監測的部件運行過程建立模型，將模型輸出與被監測部件輸出對比進行診斷?？梢赃x擇測試輪轂電機轉速，當某一電機振蕩失穩，與其他電機轉速產生明顯差異時，該輪轂電機旋轉變壓器極大可能出現損壞。此法對模型精度要求高，僅線性模型診斷性能往往不足，比如該處電機振蕩存在不是傳感器故障的可能性；

3) 信號分析法，當旋轉變壓器因正交不完善、幅值不平衡發生故障時，定子q軸電流因傳感器故障會產生二倍頻脈動分量，通過監控、計算，檢測出定子q軸電流出現振蕩時，該輪轂電機旋轉變壓器同樣可能損壞[45]。此法計算量較大。

目前，位置傳感器的故障診斷方法研究有一定進展，但用于軍用車輛輪轂電機位置傳感器故障預先診斷上大都存在一些問題，故障診斷預先提示技術尚不成熟。未來需要加大理論研究，并在后期結合實車進行試驗。

3.3 兩種控制狀態下的切換機制

裝甲車輛行駛過程中，當故障檢測系統檢測出電機轉速或定子q軸電流持續出現振蕩時，位置傳感器極大可能出現損壞，此時為避免因傳感器損傷導致車輛失穩發生事故，應及時將電機控制方式由傳感器控制切換至無位置傳感器控制，以滿足車輛的基本行駛。

目前可考慮通過算法程序實現切換，當位置傳感器出現故障時，算法程序自動切換至無位置傳感器控制狀態，并根據事先設定的要求判定是繼續使用無位置傳感器控制運行，還是短暫使用無位置傳感器控制使電機能夠穩定降至零速度。具體的切換技術是非常有研究價值的，目前相關研究較少，未來將是研究的重點及難點。

此時應說明的是，無位置傳感器控制并不是在位置傳感器損壞后才啟動的，在位置傳感器正常工作，電機穩定運行時，無位置傳感器控制算法應一直作用，通過算法估計的值不斷與實際值進行對比分析，構成閉環控制，使得估計值無限向實際值驅近。只有這樣，當位置傳感器損壞，向無位置傳感器控制切換時，才能保證切換瞬時位置相對精準，不致于使電機過分振蕩甚至失穩。

4 結論

本文在分析國內外對無位置傳感器控制研究現狀的基礎上，提出應用于全電化裝甲車輛輪轂電機的無位置傳感器控制實際需求及迫切需要解決的技術問題，主要從無位置傳感器控制方法、位置傳感器故障檢測及從位置傳感器狀態切換到無位置傳感器狀態展開，歸納了正常行駛-故障檢測-狀態切換的工作流程，對全電化裝甲車輛輪轂電機無位置傳感器控制技術發展研究可供參考，這對軍用車輛穩定性及自適應容錯控制具有重要意義。

由于實車操作難度大，輪轂電機位置傳感器故障診斷及狀態切換技術目前尚不成熟，這將是未來學習研究中所致力的關鍵。