將無(速度、位置) 感測器控制分為兩大類 ,即基於交流電機基波模型的無感測器控制和基於交流電機諧波模型的無感測器控制方法。
基本介紹
- 中文名：無感測器控制
- 外文名：sensorless control
簡介,分類,發展,分類,異步電動機的無感測器控制,
簡介
交流驅動系統的無位置感測器控制與混合動力驅動系統密切相關。不僅是因為機械位置感測器難於集成且很難封裝在車輛的傳動系內，而且機械位置感測器非常易碎，容易受到電磁干擾和信號失真的影響。所以應儘量減少列位置感測器的使用，或者採用恰當的軟體算法以準確跟蹤M/G的轉子位置，並以此來完全替代位置感測器，這些都將是非常有益的。轉子位置感測器的退化不僅是保持混合動力M/G系統平滑控制的問題所在，而且位置信號的損毀會對電流和電壓控制器產生干擾，從而導致電機勵磁不平衡，引起振動和噪聲。感測器的間歇性故障更是危險，因為車輛在行駛過程中遇到坑窪或其他路面干擾時，這種影響可能會反覆。
研究者已經解決了多種類型電機的無感測器問題。在說明如何取消位置感測器之前，首先應明確不同類型的電機需要採用不同類型的轉子位置檢測裝置。同步電機(如永磁電機)需要精確指出轉子磁體的位置，以保證電樞電流與轉子磁通正交。這需要採用絕對位置感測器，在機械解析度小於0．2度時可以求解軸角位置。電機的極數越多，對軸角位置的機械解析度要求就越高。求解機械解析度為0．176度的軸角位置需要採用11位編碼器或解碼器。另外一個複雜的情況是，求解軸角位置不僅需要11位字長的編碼器，而且當M/G額定轉速達13000r/rain時，編碼器的比特率非常高。因此需要使用高頻寬解碼器，以確保有足夠的比特率能以快速的更新率向控制器提供更為準確的軸角位置信息。
與永磁電機相比，可變磁阻電機和開關磁阻電機對位置檢測的要求更為嚴格。許多ISG的混合動力結構都使用VRM，這種設計。基於6/4凸極模式，兩次、三次或多次重複使用電機凸極。為得到這類凸極電機的定時信號，解析度應高於0．1度。這類位置感測器更可能是實驗室級的，(有時可能是精密儀器的質量要求)而非車用環境所要求的堅固耐用的感測器。
研究者已經解決了多種類型電機的無感測器問題。在說明如何取消位置感測器之前，首先應明確不同類型的電機需要採用不同類型的轉子位置檢測裝置。同步電機(如永磁電機)需要精確指出轉子磁體的位置，以保證電樞電流與轉子磁通正交。這需要採用絕對位置感測器，在機械解析度小於0．2度時可以求解軸角位置。電機的極數越多，對軸角位置的機械解析度要求就越高。求解機械解析度為0．176度的軸角位置需要採用11位編碼器或解碼器。另外一個複雜的情況是，求解軸角位置不僅需要11位字長的編碼器，而且當M/G額定轉速達13000r/rain時，編碼器的比特率非常高。因此需要使用高頻寬解碼器，以確保有足夠的比特率能以快速的更新率向控制器提供更為準確的軸角位置信息。
與永磁電機相比，可變磁阻電機和開關磁阻電機對位置檢測的要求更為嚴格。許多ISG的混合動力結構都使用VRM，這種設計。基於6/4凸極模式，兩次、三次或多次重複使用電機凸極。為得到這類凸極電機的定時信號，解析度應高於0．1度。這類位置感測器更可能是實驗室級的，(有時可能是精密儀器的質量要求)而非車用環境所要求的堅固耐用的感測器。
分類
Rajashekara等人全面總結了適用於五大主要類型電機的無位置感測器技術。下表總結了交流電機常見的已研究的或正在研究的無感測器方法。所有無位置感測器技術都離不開對電機電流、電壓和環境溫度的精確測量。
無感測器控制方法總結
無感測器控制方法總結異步電機無位置感測器控制的一種常見形式是測量定子電流和電壓，然後使用這些測量數據以及電機的參數數據來計算轉差．從勵磁頻率中減去轉差頻率就可以得到轉子速度。這種方法是可行的，但遺憾的是它需要純淨的轉子感應電壓。但轉子感應電壓容易含有直流偏量，會影響積分器的輸出。可以使用狀態觀測器來估算轉子磁通．
但這樣會受到定子電流和轉子磁通跟蹤誤差的干擾。Yoo和Ha副提出了一種使用主估算器和附加估算器來構建電機轉速估算器的方法。一些研究者試圖減少定子電流微分對估算轉子磁通和電機轉速的影響，而這一技術正受到這些研究人員的追捧。特別是Khalil等人，通過估算交流電流及其衍生電流，就能計算轉子磁通和轉速。該方案使用滑模控制器來測取感應電機的電壓參考信號：以高增益觀測器來實現對定子q軸電流的微分。該技術的功能框圖如下圖所示。
但這樣會受到定子電流和轉子磁通跟蹤誤差的干擾。Yoo和Ha副提出了一種使用主估算器和附加估算器來構建電機轉速估算器的方法。一些研究者試圖減少定子電流微分對估算轉子磁通和電機轉速的影響，而這一技術正受到這些研究人員的追捧。特別是Khalil等人，通過估算交流電流及其衍生電流，就能計算轉子磁通和轉速。該方案使用滑模控制器來測取感應電機的電壓參考信號：以高增益觀測器來實現對定子q軸電流的微分。該技術的功能框圖如下圖所示。
功能上圖所示的控制器不僅可以估算轉子速度，同時還能追蹤車輛高級別控制器發出的磁通和轉矩指令。轉換到同步參考坐標系盼定子電流經高增益觀測器進行處理，這樣可以減小微分器的噪聲。
發展
永磁電機的無感測器控制也非常適用於混合動力驅動系統，不僅是因為永磁電機可以作為主傳動系統的M/G，而且它還適用於其他輔助電力驅動裝置。通常使用軸裝編碼器、旋轉變壓器或者安裝在轉子附近或氣隙中的霍爾效應器件來感測轉子位置。同步電機控制的總體目標是把電機本身作為感測器進行使用。Blaschke等人提出把轉子磁鏈矢量飽和區套用到定子鐵心，這樣電機作為其自身位置感測器的目標就得以實現。當電機處於飽和狀態時，電流傳輸方向(從靜止坐標繫到同步參考坐標系)與轉子磁鏈矢量相平行，並且增益小於兩者正交的情況，所以通過非對稱性就能夠確定轉子的磁鏈方向。實際工作過程中，定子電流矢量與轉子磁通矢量並行脈動，不會影響電機轉矩。
同步磁阻電機的無位置感測器控制與永磁電機相似。所有控制方法都取決於對電機電流和電壓的精準測量，同時也應適當考慮溫度和電機參數變化造成的影響。從某些方面來講，由於開關磁阻電機相位之間不互相耦合，可以使用非導通相來監測電感變化，所以在沒有位置感測器時，開關磁阻電機的控制更為容易。
其他無位置感測器控制技術比比皆是。早在19世紀90年代早期．Wisconsin大學就提出採用外差技術對電機進行信號注入和信號檢測。信號注入法已經擴展至異步電機，並且已有具體的套用，通過引入特性修正，如對轉子開口槽進行修正進而引入轉子漏感的空間調製。信號注入和檢測技術見上圖，這種信號注入方法的精度R/D轉換器(軸角轉換器)相似，並且精度獨立於所引人的轉子凸極的實際角度。
下圖通過逆變器和特性修正電機(修正轉子的感應電機)或典型的同步電機(同步磁阻或內置式永磁電機)的共同作用對外差過程進行了說明。wt為電機轉子轉速，wc為注入信號頻率，外差過程把頻率分量轉換為±(2wt-wc)，其中載波頻率大約為400Hz，然而在開關頻率為2kHz的逆變器中，載波頻率能達到2kHz。基帶信號是速率控制下電機的頻率指令。低通濾波器(Low Pass Filtering，LPF)提取基帶頻率並用於對電流調節器(同步坐標)的反饋控制；帶通濾波器(Band Pass Filtering，BPF)則從總信號中提取當前位置的調製載波信號以用於對觀測器的反饋控制。
同步磁阻電機的無位置感測器控制與永磁電機相似。所有控制方法都取決於對電機電流和電壓的精準測量，同時也應適當考慮溫度和電機參數變化造成的影響。從某些方面來講，由於開關磁阻電機相位之間不互相耦合，可以使用非導通相來監測電感變化，所以在沒有位置感測器時，開關磁阻電機的控制更為容易。
其他無位置感測器控制技術比比皆是。早在19世紀90年代早期．Wisconsin大學就提出採用外差技術對電機進行信號注入和信號檢測。信號注入法已經擴展至異步電機，並且已有具體的套用，通過引入特性修正，如對轉子開口槽進行修正進而引入轉子漏感的空間調製。信號注入和檢測技術見上圖，這種信號注入方法的精度R/D轉換器(軸角轉換器)相似，並且精度獨立於所引人的轉子凸極的實際角度。
下圖通過逆變器和特性修正電機(修正轉子的感應電機)或典型的同步電機(同步磁阻或內置式永磁電機)的共同作用對外差過程進行了說明。wt為電機轉子轉速，wc為注入信號頻率，外差過程把頻率分量轉換為±(2wt-wc)，其中載波頻率大約為400Hz，然而在開關頻率為2kHz的逆變器中，載波頻率能達到2kHz。基帶信號是速率控制下電機的頻率指令。低通濾波器(Low Pass Filtering，LPF)提取基帶頻率並用於對電流調節器(同步坐標)的反饋控制；帶通濾波器(Band Pass Filtering，BPF)則從總信號中提取當前位置的調製載波信號以用於對觀測器的反饋控制。
無感測器控制的信號注入和外差技術大量的研究結果表明，可以使用遠離被測電機的感測器來採集電機的轉子位置信息，而且這些感測器還可用於對其他信息的測量，例如安裝在電池終端的電流感測器以用於交流發電機的同步整流控制。不論是從耐久性的角度還是從成本因素來考慮，都不允許在車輛交流發電機的上面或者內部安裝電流感測器。交流發電機的電流紋波是整流二極體的作用結果，它含有交流發電機轉子的相關位置信息，因此可以提取這些位置信息並用於有源整流器組件的控制開關。。由於其他系統，如能源和負載管理系統，需要對電池電流進行檢測，所以這種方法能夠真正實現感測器配置結構的最小化。反電動勢觀測器用於監測交流發電機的相電壓信息，通過採用觀察窗可以實現對轉子位置的檢測。在觀察窗中，電池直流電流紋波與相電流相連線。發動機轉速和負載的影響會使交流發電機的反電動勢頻率和幅值發生變化，因此需要使用一個非線性的漸近觀測器來估算交流發電機的相電動勢大小。這種方法可以在恆定偏移量內跟蹤交流發電機的轉子位置，並且具有追蹤±1000Hz/s速度變化的動態能力。
基於磁鏈技術的永磁電機無位置感測器控制方法正日益普及。從技術的發展來看，永磁電機的無感測器技術包括感測反電動勢，即直接感測120。傳導驅動惰性相的反電動勢，並通過對電流電壓積分求解磁鏈的方法，還包括監測逆變器續流二極體導通時間的方法。最近Kim等人提出了一種與速度無關的磁鏈派生新方法。在該方法中，線速度的相關函式包含了電壓和電流的測量值，以及對派生電流的劃分值，得到的結果函式是與速度無關的轉子角度信息，能夠估算低速時的轉子位置。在實驗室環境中．通過此方法來控制四極無刷直流電機(轉速20r/min)。
基於磁鏈技術的永磁電機無位置感測器控制方法正日益普及。從技術的發展來看，永磁電機的無感測器技術包括感測反電動勢，即直接感測120。傳導驅動惰性相的反電動勢，並通過對電流電壓積分求解磁鏈的方法，還包括監測逆變器續流二極體導通時間的方法。最近Kim等人提出了一種與速度無關的磁鏈派生新方法。在該方法中，線速度的相關函式包含了電壓和電流的測量值，以及對派生電流的劃分值，得到的結果函式是與速度無關的轉子角度信息，能夠估算低速時的轉子位置。在實驗室環境中．通過此方法來控制四極無刷直流電機(轉速20r/min)。
分類
將無(速度、位置)感測器控制分為兩大類 ,即基於交流電機基波模型的無感測器控制和基於交流電機諧波模型的無感測器控制方法。前者主要基於交流電機的理想模型 ,根據電機方程中轉子位置、轉速和電壓電流的關係估測轉速和轉子位置 ,反電動勢積分、模型參考自適應( M RA S)以及各種觀測器的方法都屬於基波模型的方法;後者主要基於電機結構的物理特性 ,通過轉子處於不同位置時對應的電壓、電流的諧波信號獲得轉子位置和轉速的信息 。
兩類方法有各自的特點 ,基於基波模型的方法 ,直接採用電機動態運行中的電壓、電流信號估測轉速和位置。為了提高系統的參數魯棒性 ,採用模型參考自適應系統( M RA S)和觀測器等方法估測轉子轉速和位置 ,另外人工神經網路辨識方法也套用在基於基波模型的無感測器控制中。
異步電動機的無感測器控制
異步電動機的矢量控制方案需要速度感測器或者位置感測器。由於使用速度感測器具有如增加成本、可靠性問題、抗干擾問題等缺陷，而且實時計算的成本也越來越低，通過運用狀態估算功能的軟體就可以估算速度和位置值。文獻中已經提出了很多用於定子電壓、相電流和頻率估算速度的方法。
利用無速度感測器得到異步電動機速度的方法，大體上可以分為兩類：
·具有轉差補償的開環速度控制；
·具有速度估算的閉環控制。
第一類方法中，通過控制電動機的同步速度，利用轉差頻率來補償負載變化；第二類方法中，用電動機的估算速度做閉環速度控制的反饋信號。
用於異步電動機的無感測器轉矩控制方法如下：
(1)轉差頻率計算方法；
(2)用狀態表達式估算速度的方法；
(3)磁通估算方法；
(4)模型參考自適應系統(MRAS)；
(5)觀測器(基於卡爾曼濾波器的觀測器，倫伯格觀測器)方法；
(6)速度估算的人工智慧方法。
利用無速度感測器得到異步電動機速度的方法，大體上可以分為兩類：
·具有轉差補償的開環速度控制；
·具有速度估算的閉環控制。
第一類方法中，通過控制電動機的同步速度，利用轉差頻率來補償負載變化；第二類方法中，用電動機的估算速度做閉環速度控制的反饋信號。
用於異步電動機的無感測器轉矩控制方法如下：
(1)轉差頻率計算方法；
(2)用狀態表達式估算速度的方法；
(3)磁通估算方法；
(4)模型參考自適應系統(MRAS)；
(5)觀測器(基於卡爾曼濾波器的觀測器，倫伯格觀測器)方法；
(6)速度估算的人工智慧方法。
