类型a：学术研究报告

本研究由Shuo Chen、Wen Ding（IEEE会员）、Ruiming Hu、Xiang Wu（IEEE会员）和Shuai Shi共同完成，其中前四位作者来自西安交通大学电气工程学院，Xiang Wu来自中国矿业大学电气与动力工程学院。该研究发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》第38卷第1期（2023年1月）。这项研究提出了一种新型永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）无传感器控制策略，通过引入降阶准谐振扩展状态观测器（Reduced Order Quasi Resonant-based ESO, ROQR-ESO）和基于牛顿-拉夫逊法的锁相环（Newton-Raphson Method-based PLL, NRM-PLL）来解决传统方法在动态响应和相位延迟方面的技术难题。

学术背景 永磁同步电机因其高功率密度和高效率在工业领域广泛应用。传统机械位置传感器的安装会增加系统成本和体积，降低鲁棒性。过去二十年间，无传感器控制策略发展出两大类：信号注入法和基于基波模型的方法。扩展状态观测器（Extended State Observer, ESO）因其高精度和模型独立性成为研究热点，但传统线性ESO（Linear ESO, LESO）存在低频滤波特性导致反电动势（Back Electromotive Force, BEMF）跟踪滞后的问题。此外，传统锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）依赖于固定增益PI控制器，难以适应工况变化。本研究旨在通过算法创新解决这两个关键问题。

研究方法与流程 研究分为三个核心环节：

1. ROQR-ESO设计 传统LESO因积分器内部模型只能准确跟踪直流或低频分量。研究团队通过将准谐振控制器（Quasi Resonant Controller）嵌入LESO内部模型，构建了ROQR-ESO。其传递函数通过引入谐振频率ω0、观测器带宽ω、控制器带宽ωc和增益kr四个参数，实现了对快速变化正弦分量的无相位滞后跟踪。稳定性分析采用复数系数Routh-Hurwitz判据，通过参数优化（ω=6000 rad/s, ωc=π rad/s, kr=80）确保系统稳定。实验验证采用750W PMSM平台，对比显示ROQR-ESO在3000r/min时将相位滞后从传统方法的25.2°降至9.6°。

2. NRM-PLL开发 针对传统PLL参数整定复杂的问题，研究提出基于有限位置集PLL（FPS-PLL）改进的NRM-PLL。创新性采用位置四等分法：首先通过(35)式生成四个预设位置，筛选满足eerrδ>0的候选位置；随后以最优候选位置为初值，进行三次牛顿迭代（见(41)式）。理论分析表明，该方法仅需7次计算（四等分4次+迭代3次）即可实现1.059e-6 rad的定位精度。实验显示其动态响应时间比传统PLL缩短40%，负载阶跃时的位置误差从18.7°降至14.3°。

3. 系统集成验证 在10kHz开关频率的TMS320F28335 DSP平台上，整套算法执行时间仅18.5μs（ROQR-ESO占4.8μs，NRM-PLL占18.5μs）。针对转速反转问题，附录提出BEMF序列修正方法：通过转速符号对估计BEMF进行方向校正，使系统在-750~2500r/min范围内保持稳定跟踪。最低稳定运行转速可达120r/min（额定转速的4%）。

主要结果 1. 动态性能提升：在3000r/min工况下，ROQR-ESO将BEMF相位滞后从25.2°降至可忽略水平；NRM-PLL在负载突变时的动态误差减少23%。 2. 计算效率突破：相比需要64次迭代的传统FPS-PLL，NRM-PLL仅需7次计算即可达到更高精度。 3. 参数鲁棒性：电感在50%~150%额定值变化时，ROQR-ESO引起的直流偏置误差°；NRM-PLL完全无需参数整定。

结论与价值 本研究通过ROQR-ESO解决了高频域相位滞后难题，NRM-PLL突破了传统PLL的动态性能瓶颈。其科学价值在于： 1. 提出复数域稳定性分析的ESO设计新范式； 2. 建立了FPS-PLL与牛顿法的理论联系； 3. 工程价值体现在：计算量减少89%，成本敏感型处理器适用性显著提升。

创新亮点 1. 首创将准谐振控制器融入ESO架构，实现BEMF无相位差观测； 2. 位置四等分法与牛顿迭代的融合，创下1.059e-6 rad的理论精度纪录； 3. 完整解决转速反转问题，扩展了算法应用场景。

补充发现 实验揭示了电感参数对相位误差的主导作用（电阻变化影响可忽略），这一现象为后续参数敏感性研究提供了新方向。附录提出的BEMF序列修正方案，为解决其他电机类型的转向识别问题提供了普适性参考。