作者： R. Ancuti、I. Boldea、G.-D. Andreescu
发表期刊： IET Electric Power Applications
发表时间： 2010年，第4卷第3期，第149–157页
DOI： 10.1049/iet-epa.2009.0077
高速与超高速永磁同步电机（PMSM）驱动系统在工业应用中日益重要，额定频率可达数百赫兹至数千赫兹。传统无传感器矢量控制在高速场合下面临两大核心挑战：其一，在线计算量大，因为派克变换（Park transformation）需要估算转子位置并使用三角函数运算；其二，转子位置与速度观测器通常依赖电机参数（如定子电阻、永磁磁链等），对参数变化较为敏感。标准V/F控制虽然结构简单、计算量小，但动态响应慢，转速振荡明显，且无法保证最优电流利用率。
针对上述问题，来自罗马尼亚蒂米什瓦拉理工大学的R. Ancuti、I. Boldea与G.-D. Andreescu提出了一种基于V/F控制的新型无传感器控制策略，通过引入两个稳定环（stabilising loops）分别校正定子电压幅值与相位，将内部无功功率（internal reactive power）调节至零，从而间接实现d轴电流（id）为零的纯q轴电流控制。其目标是：在显著降低在线计算量的同时，获得与带编码器矢量控制相当的快速转矩与转速动态响应，并提高对参数变化的鲁棒性。
表面贴装永磁同步电机（SPMSM）的电磁转矩表达式为Te = 1.5λpm·iq，其中iq为q轴电流，d轴电流id对转矩产生无贡献。因此，实现id=0是SPMSM最理想的运行状态。作者引入“内部无功功率”作为控制变量，其定义为在转子坐标系下的qi_dq = (3⁄2)·vr·id·λpm。该量在稳态和暂态下均有效，当id=0时，qi_dq=0。然而，qi_dq的计算需要派克变换及转子位置信息，违背了本文避免派克变换的初衷。因此，作者采用定子坐标系（αβ坐标系）下的替代表达式qi_ab来近似计算内部无功功率（公式5），其中仅需两相定子电流、参考电压分量以及参考电角频率vr*，避免了转子位置估算。
图3展示了所提出的控制系统的完整框图。系统输入为参考转速vr，通过查找表（look-up table）生成标准V/F控制的参考电压幅值Vs(vr*)。两个PI控制器分别产生电压幅值修正量ΔV和相位修正量Δθ，将内部无功功率qi_ab调节至零。修正后的电压向量Vsc*受到限幅保护（V_scl*），其限幅值由参考转速决定。αβ坐标系下的参考电压无需经过派克正变换或逆变换即可直接用于空间矢量脉宽调制（SVPWM），彻底消除了三角函数运算需求及转子位置估计器。由于qi_ab信号噪声较大，系统采用两个不同时间常数的低通滤波器（LPF）分别对幅值修正通道和相位修正通道进行滤波。实验表明，相位修正通道的滤波器时间常数不宜过大，否则会导致失步。
实验采用两台相同的0.8 kW、20 000 rpm、四极SPMSM机械耦合（图6b）。电机定子电阻为0.083 Ω，同步电感为0.0425 mH，转子永磁磁链为0.00635 Vs/rad，电气时间常数极低，仅为0.5 ms，转动惯量为40×10⁻⁶ kg·m²。逆变器为50 V/300 A MOSFET类型，开关频率20 kHz。所有控制算法在MATLAB-Simulink中开发，并基于dSPACE 1103平台实现，采样频率为10 kHz。编码器（500脉冲/转）仅用于性能对比，不参与控制。
研究系统地进行了与标准V/F控制以及带编码器矢量控制（id=0）的对比实验。测试工况涵盖：空载启动至10 000 rpm、80%额定转矩加载与卸载、−10 000 rpm至+10 000 rpm带载速度反转、2 000 rpm低速运行与反转、10 000 rpm至5 000 rpm快速减速，以及20 000 rpm的最高转速运行。
图8展示了从0加速至10 000 rpm的空载启动实验。加速时间约0.1 s，接近由机械方程J·dωm/dt = Te − Tl − ωm·B和表2参数计算所得的理论最短加速时间。图5显示了最不利情况下的启动行为：转子在最初瞬间向负方向旋转并短暂达到−600 rpm，随后迅速锁相并加速至参考转速。这表明系统无需初始转子位置辨识即可从任意位置启动，姿态短暂反转是V/F控制的固有特性，其对大多数应用的影响可以接受。
在0.8 s施加80%额定转矩时，电磁转矩响应迅速（图8c），d轴电流在LPF滤波后缓慢趋近于零（图8d）。1.6 s卸载时出现速度振荡，但速度误差保持在可接受范围内，与矢量控制系统相当。
最严苛的测试是在60%额定转矩加载条件下从−10 000 rpm反转至+10 000 rpm（图9）。反转在160 ms内完成。在穿越零速区域时，系统通过降低qi_ab信号的权重来允许一定程度的正id电流运行，从而保证稳定性。图9d展示了电压幅值的动态变化：参考电压Vs*经控制系统大幅修正后得到实际施加的V_scl*，其始终保持在前馈计算所得的动态限幅范围（Vsmin*、Vsmax*）内。当电机进入发电制动工况时，电压被降至接近零，穿越零速后再逐步提升。图9e和图9f分别展示了幅值修正环和相位修正环的输出，两者变化趋势相似，表明电压向量的幅值修正与相位加速在动态过程中相互配合。
图10展示了2 000 rpm下的低速性能。与高速（10 000 rpm）相比，低速下电流和转速纹波更大，但系统仍能稳定运行并完成加载（25%额定转矩）和速度反转。实测最低稳定运行速度可达1 200 rpm，即为额定转速的6%。图11a展示了从10 000 rpm快速减速至5 000 rpm的过程，响应快速且稳定。图11b展示了加速至20 000 rpm的波形，动态性能依然良好。综合实验结果表明，所提系统在2 000 rpm至20 000 rpm范围内均能满意运行（10:1调速比），且在12 000 rpm以上的高速段表现优于文献[18]所述的无传感器矢量控制。
本研究提出了一种新型的基于V/F控制的双稳定环无传感器SPMSM控制策略。其核心思想是在标准V/F控制框架上叠加幅值修正环和相位修正环，将内部无功功率调节至零，间接实现id=0的最优电流控制。该方法具有以下显著优势：其一，在线计算量远小于无传感器矢量控制，因为无需派克变换、转速闭环、电流闭环及转子状态观测器；其二，对参数变化鲁棒性强，内部无功功率估计仅取决于同步电感Ls，而对定子电阻和永磁磁链的变化不敏感；其三，动态响应快速，加速时间接近理论最小值，转矩响应与带编码器矢量控制相当；其四，具有固有的任意初始转子位置启动能力。
该方法的局限性包括：在严重过载情况下可能因缺乏闭环转速控制而失步；在速度反转穿越零速区域时存在稳定性问题，但该问题同样困扰着无传感器矢量控制方法。
本研究的核心亮点在于：第一，通过内部无功功率零调节这一简洁的控制目标，在不使用派克变换和转子位置观测器的前提下，实现了等效于矢量控制id=0的最优运行状态；第二，在电气时间常数仅0.5 ms的SPMSM上实现了与带编码器矢量控制相当的动态性能；第三，系统对参数变化具有高度鲁棒性，仅依赖同步电感一个参数；第四，在2 000 rpm至20 000 rpm的宽速度范围内均能稳定运行，特别适用于额定频率0.5–10 kHz的极高速驱动场合。