在低载波比和参数不确定性下对高速永磁同步电机进行鲁棒无传感器控制

为何更快的电机需要更智能的控制

随着电动汽车、列车和工业设备不断追求更高功率和更高效率，它们的电机转速也比以往更高。要在这些高速电机上高效运行，需要减少电力电子器件的开关次数以降低能耗和发热。但这带来了一个棘手的问题：控制电机的电子“脑”在跟踪转子运动时开始失去精度，尤其是在必须无传感器估计转子位置时。本文提出了一种新方法，能在这些苛刻工况下保持电机的稳定性、效率和可靠性。

在更少开关下做更多事情的挑战

现代永磁同步电机（PMSM）因体积紧凑、效率高，成为电动汽车和先进工业驱动的主力。为了榨取更高性能，工程师会提高电机的电气频率（通过更高转速），同时降低逆变器的开关频率（以减少损耗）。这两者的比率，称为载波‑基波比（C/F 比），会变得非常小，有时低至六。在该工况下，相对于电机的电气周期，控制更新之间的时间很长，因此数字控制器的数值误差和延迟会被强烈放大。传统的“无传感器”控制方案通过测量电流和电压推断转子位置，在这种情况下会变得不稳定或不准确，导致电流噪声、转矩波动，甚至停机。

在没有传感器的情况下观察电机

为了去掉位置传感器及其成本，大多数高速驱动依赖数学观测器从电气量中重建转子位置。传统观测器通常使用基于比例—积分（PI）控制的简单反馈回路来修正估计的磁通。这些方案在中等转速和较高 C/F 比时表现尚可，但当电阻、电感随温度漂移，或微控制器中的数值离散化无法跟上快速物理过程时便会失效。在极低 C/F 比下，像常见的欧拉或 Tustin 等低阶数值方法可能会把系统的离散时间极点推到安全区域之外，使观测器产生振荡或发散。

一种可在线抵消扰动的控制方案

作者通过围绕有源扰动拒绝控制（ADRC）重设计观测器来应对这一问题。ADRC 不把参数误差、负载变化和未建模效应分开处理，而是将它们打包成一个“总扰动”，并用扩展状态观测器实时估计该扰动。然后在控制信号中主动抵消该扰动，使系统表现得像一个更简单、已知的动力学。在所提出的自适应补偿转子磁通观测器中，ADRC 用于持续调整内部修正电压，使估计的磁通幅值跟踪期望参考值。由此修正的磁通进一步提取出转子角度和转速，为无机械传感器的磁场定向控制提供关键位置信息。

面向实时硬件的混合数值方法

然而，ADRC 的优势也带来了代价：其方程更复杂，通常需要高阶数值积分方法（例如四阶 Runge–Kutta，RK4）才能在低 C/F 比下保持稳定。RK4 精确但对必须在微秒级内运行多项控制任务的汽车级微控制器来说计算量大。为此，作者提出了一种混合离散化方案，将观测器拆分为缓变的线性部分和快速的非线性反馈部分。线性分量用轻量的欧拉步更新，而非线性分量使用 RK4。该混合方法在关键部位保持了接近 RK4 的精度，同时与在 ADRC 观测器中使用完整 RK4 相比，乘法运算量减少约 30%，在 200 MHz 的数字信号处理器上将每个控制周期的执行时间降至约 18.5 微秒。

在工业驱动上的实验验证

作者在一台要求苛刻的 100 千瓦 PMSM（最高转速达 20,000 转/分）上验证了所提方案，这代表了实际电推进硬件。详细的极点分析和实验表明，当速度上升或 C/F 下降时，基于欧拉和 Tustin 离散化的观测器会变得不稳定，而使用 RK4 或新混合方法的观测器则保持在稳定区域内。实际应用中，混合 ADRC 观测器能在低至 6 的 C/F 比下实现无传感器运行，其电流波形和转矩波动接近带物理位置传感器的系统。负载阶跃试验显示与传统观测器相比，定稳时间更短、超调更小、电流分量耦合更弱。即便在故意将关键电机参数设错（例如假定电阻加倍或电感减半）的情况下，系统仍保持稳定，仅带来电流纹波和速度纹波在万分之几量级的适度增加。

这对未来电驱意味着什么

通俗地说，这项工作展示了如何用更智能的“虚拟传感器”和精心设计的数值引擎在电子开关缓慢且实际工况偏离理想模型时，仍能控制超高速电机。通过将 ADRC 的扰动抵消观测与适合紧张处理器预算的混合离散化相结合，作者证明了无传感器控制在清洁度和鲁棒性方面可以接近基于传感器的控制，同时更简单、更廉价。由此为电动汽车和其他对每瓦、每克都在意的高性能应用提供了更高效、紧凑且可靠的驱动系统铺平了道路。

引用: Lin, Z., Jin, S., Wang, H. et al. Robust sensorless control of high speed PMSM drives under low carrier ratios and parameter uncertainties. Sci Rep 16, 11269 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41212-z

关键词: 无传感器电机控制, 高速永磁同步电机, 低开关频率, 有源扰动拒绝, 混合离散化