無位置傳感器嚴(yán)格來說是電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)，其控制策略是通過集成位置觀測器，采集與轉(zhuǎn)速有關(guān)的電流、電壓變量，估算出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息來代替編碼器。也就是說電機(jī)在啟動時會通過算法進(jìn)行角度自學(xué)習(xí)，通過計算得出相對準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子角度，以此來模擬位置傳感器功能。

當(dāng)然這項技術(shù)也不是什么新技術(shù)，常規(guī)的小功率電機(jī)多為無位置傳感器電機(jī)。但是新能源主驅(qū)電機(jī)應(yīng)用這項技術(shù)還未見先例（少部分企業(yè)會集成無位置傳感器做冗余），發(fā)電機(jī)領(lǐng)域博格華納的外轉(zhuǎn)子二合一增程倒是采用的無位置傳感器技術(shù)，據(jù)稱其算法在精度和動態(tài)響應(yīng)方面均達(dá)到了旋變的同等性能。但是在驅(qū)動電機(jī)控制方面還存在低速、NVH的相關(guān)問題有待突破。此外，包括吉利、東風(fēng)、小鵬、聯(lián)合動力等企業(yè)在這方面也都有研究布局。

圖片來源：博格華納

常規(guī)新能源驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)中，普遍依賴位置傳感器采集轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速信息，但此類方案存在顯著局限性。首先就是硬件成本與結(jié)構(gòu)體積，其次傳感器的安裝部署與穩(wěn)定運(yùn)行易受外界環(huán)境干擾，在高溫、強(qiáng)振動等惡劣工況下，其工作穩(wěn)定性大幅衰減，且傳感器自身的精度也會存在一定的誤差。

無位置傳感器的優(yōu)勢就可以解決上述的所有問題，顧名思義無位置傳感器省去了硬件結(jié)構(gòu)，相對而言系統(tǒng)的重量和尺寸都會得到改善，同時還能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)裝配的復(fù)雜性。性能方面，可以使系統(tǒng)的魯棒性增加，對電機(jī)參數(shù)攝動（如溫升導(dǎo)致的定子電阻變化）、負(fù)載突變（如車輛急加速、急減速）不敏感。

01.

無位置傳感的估算方案

當(dāng)前，無位置傳感器控制技術(shù)主要劃分為兩大技術(shù)路線：

◎一是適用于中高速工況的模型觀測法，典型技術(shù)包括擴(kuò)展反電動勢法與非線性磁鏈法，借助電機(jī)電壓模型或電流模型構(gòu)造磁鏈觀測器，以獲取轉(zhuǎn)子位置信息的有效磁鏈，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子電角度和轉(zhuǎn)速。

◎二是適用于零低速工況的高頻信號注入法，該方法依托永磁電機(jī)本體的結(jié)構(gòu)凸極效應(yīng)或飽和凸極效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識。這里簡單解釋一下，為什么低速要切換方案，因為當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時，有用的信噪比很低，這也導(dǎo)致計算的反電動勢誤差較大，進(jìn)而導(dǎo)致在低速范圍運(yùn)行時對轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測失效。

圖片來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

通過上述兩類方法獲取包含轉(zhuǎn)子位置信息的反電動勢、磁鏈或解調(diào)電流后，需借助反正切函數(shù)或鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop, PLL）完成位置信號的提取。其中，反正切函數(shù)屬于開環(huán)算法，對噪聲極為敏感，在高頻信號注入法的應(yīng)用場景中易引入較大的位置辨識誤差。而PLL作為閉環(huán)算法，位置預(yù)估精度顯著優(yōu)于反正切函數(shù)，但傳統(tǒng)PLL本質(zhì)上是二階跟蹤環(huán)路，面對加速度輸入時暫態(tài)跟蹤性能欠佳。雖然各家的方案都有不同，但基本都是基于上述的兩類技術(shù)路線來做的。

02.

用在驅(qū)動電機(jī)里準(zhǔn)嗎，還差在哪里？

無位置傳感器的常規(guī)方案通常基于永磁同步電機(jī)電壓方程，完成電機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)的標(biāo)定工作。然而，基于電壓方程的參數(shù)標(biāo)定方法存在顯著局限性，其有效性高度依賴精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子位置信息。所以無位置傳感器技術(shù)的核心難點(diǎn)，就在于如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的精準(zhǔn)獲取。

在無位置傳感器控制場景下，受電阻R與交軸電感Lq的標(biāo)定誤差影響，電機(jī)實(shí)際dq軸與估算dq軸之間會產(chǎn)生誤差角度θerr，此時直接套用電壓方程將引入系統(tǒng)性偏差。電阻標(biāo)定誤差會直接干擾電感參數(shù)的標(biāo)定精度，反之電感誤差也會反向影響電阻的標(biāo)定結(jié)果。而且在擴(kuò)展反電動勢控制策略中，該誤差角度θerr會與Lq、R的標(biāo)定誤差形成正反饋回路，最終造成電機(jī)參數(shù)辨識過程失穩(wěn)、結(jié)果發(fā)散。

這樣也導(dǎo)致了電機(jī)電流的觀測值與實(shí)際的反饋值存在誤差，這也是無位置傳感器精度不夠的原因。當(dāng)前的解決方案是通過估算與PI控制，把電流誤差收斂為零，讓輸出的反電動勢偏差可精準(zhǔn)表征轉(zhuǎn)子磁場定向的偏離程度。

從當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用場景來看，硬件位置傳感器仍無法被完全舍棄。但無位置傳感器依然值得被研究，以應(yīng)對硬件位置傳感器存在運(yùn)行過程中異常失效的風(fēng)險，因為一旦電機(jī)位置傳感器失效，電機(jī)轉(zhuǎn)速將無法被精準(zhǔn)采集，進(jìn)而引發(fā)整車故障停機(jī)。借助無位置傳感器控制策略，可確保車輛在無硬件位置傳感器的工況下，仍能有效采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信號，從而規(guī)避傳感器失效導(dǎo)致的整車故障停機(jī)風(fēng)險。

聯(lián)合動力的無位置傳感器控制策略專利，就是在低速和靜止時使用高頻注入法實(shí)現(xiàn)位置辨識，高速時使用位置觀測器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全速段的無位置傳感器控制。

針對硬件位置傳感器發(fā)生故障并切換至無位置傳感器控制模式時，因切換瞬間電機(jī)轉(zhuǎn)速難以被精準(zhǔn)捕捉的問題，聯(lián)合動力是通過從殘存有效旋變信號中提取可利用信息，在旋轉(zhuǎn)變壓器中通過獲取正常信號并實(shí)現(xiàn)信號重構(gòu)，利用鎖相環(huán)計算轉(zhuǎn)子位置角，解決了兩相信號中一相失效的問題。

總結(jié).

雖目前硬件位置傳感器無法完全替代，但無位置傳感器可作為冗余方案規(guī)避傳感器失效風(fēng)險，未來，隨著技術(shù)瓶頸的突破，無位置傳感器技術(shù)在新能源主驅(qū)電機(jī)領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

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