学术研究报告：无速度与电压传感器的自由运转交流电机旋转方向与速度估算方法

本报告旨在向研究者介绍一篇发表于《IEEE Transactions on Industry Applications》期刊第47卷第1期（2011年1月/2月）的原创研究论文。该论文题为“一种无速度与电压传感器的自由运转交流电机旋转方向与速度估算方法”，作者为Hideaki Iura、Kozo Ide、Tsuyoshi Hanamoto和Zhe Chen，其所属机构分别为日本安川电机公司（Yaskawa Electric Corporation）、九州工业大学（Kyushu Institute of Technology）以及安川电机（上海）有限公司（Yaskawa Electric (Shanghai) Company, Ltd.）。本研究属于电力电子与电机驱动控制领域，具体聚焦于传感器less（无传感器）控制技术。

一、 研究背景与目的

在工业节能与环境保护的全球趋势下，由变频器驱动的变速交流驱动风扇和涡轮系统日益普及。然而，在这些系统中，交流电机有时会因外部扭矩（如水流或风力）而自由旋转（Free-running），此时若未对旋转状态进行精确检测而直接由变频器励磁，可能导致逆变器输出电压与电机反电动势相位不同步，从而引发过压或过流故障，造成系统跳闸。为了避免此类问题，实现平滑无故障的启动与运行，必须在电机与变频器同步之前，准确估算出自由旋转电机的旋转方向和速度。传统的解决方案需要安装速度或电压传感器，但这会增加系统成本和复杂性。虽然已有一些针对异步电机的速度估算方法被提出，但它们通常依赖于持续时间较长的反电动势，在实际应用中存在局限性。对于永磁同步电机（PMSM），已有的磁链与速度估算方法难以直接应用于异步电机。因此，本研究旨在提出一种通用性更强、不依赖速度与电压传感器的估算方法，能够根据电机特性（永磁同步电机或异步电机）自适应地选择估算模式，从而实现逆变器对电机的无缝接管控制。

二、 研究方法与工作流程

本研究提出了一种包含四种连续估算模式的方法，仅利用电机的相电流测量值即可工作。其核心是一个模式切换序列，系统按顺序执行各模式，直至成功估算出旋转方向和速度。该方法可根据电机类型和特性选择执行模式，其详细工作流程如下：

1. 零电流控制模式（Mode 1: Zero-current control mode）：

   • 适用对象：主要适用于永磁同步电机（PMSM）或具有较长转子时间常数的异步电机。
   • 处理过程：该方法通过控制电机电流为零来检测电机的反电动势。具体操作是，将所有开关切换到估算侧，并将d轴和q轴电流指令、预电压指令以及磁链相位角设为零。如果电机在旋转，反电动势会在零电流控制期间感应出电流。此时，逆变器输出电压的幅值和相位将与反电动势同步。
   • 关键操作与估算原理：通过计算输出电压矢量（vd1* 和 vq1）的相位角θv，并根据其变化率（dθv/dt）来估算电机的速度ω̂r。输出电压矢量的轨迹方向（例如，vd1 为正时vq1*为正或负）包含了旋转方向的信息（向前或向后）。一旦成功检测，系统将切换到正常运行状态，并使用估算出的速度、幅值和相位作为初始条件。
   • 样本/对象处理：该方法本质上是对一个处于自由旋转状态的PMSM或异步电机系统进行电气信号分析，无需特殊的样本处理，而是实时处理逆变器的控制指令和反馈电流信号。

2. 直流电流注入模式（Mode 2: DC current injection mode）：

   • 触发条件：当模式一无法检测到足够的反电动势（例如，异步电机反电动势因转子时间常数而衰减）时，系统切换到模式二。
   • 适用对象：主要针对异步电机。
   • 处理过程：向电机的d轴注入直流电流以励磁。当自由旋转的电机被励磁时，会在q轴产生由反电动势感生的电流。
   • 关键操作与估算原理：旋转方向和速度的估算基于q轴电流的频率和起始极性。通过分析q轴电流振荡分量的频率，可以估算电机的转速。同时，观察在d轴电流指令为正极性时q轴电流的符号（正或负），可以判断电机的旋转方向（正转或反转）。如果电机静止，q轴电流将为零。该方法同样最终将过渡到正常运行状态。

3. q轴电流零控制模式（Mode 3: q-axis current zero control mode）：

   • 触发条件：当模式二因CPU采样时间限制无法从高速旋转电机的q轴电流中有效检测频率时，或当直流母线电压因q轴电流回馈而上升至限值（Vdc_lim）时，系统切换到模式三。
   • 适用对象：异步电机。
   • 处理过程：向电机的d轴注入励磁电流，并调节输出频率ω，使得q轴电流iq被控制为零。
   • 关键操作与估算原理：其原理基于异步电机的等效电路和矢量图。当逆变器输出频率ω低于电机实际转速ωr时，q轴电流iq为负；当ω高于ωr时，iq为正；当ω等于ωr时，iq为零。因此，通过一个PI控制器调整输出频率ω来迫使q轴电流iq为零，此时的输出频率ω即等于估算的电机速度ω̂r。旋转方向则根据q轴电流的极性（在调整过程中）来判断。此模式需要根据电机转子时间常数来设置q轴电压指令vq1*，以匹配反电动势的变化。

4. 频率调节模式（Mode 4: Frequency-adjust mode）：

   • 触发条件：当模式三中直流母线电压达到极限水平时启用。
   • 适用对象：异步电机。
   • 处理过程：此模式通过同时调节输出电压和频率来进行估算。开始时，将频率调节器设置为电机可能的最大频率，电压调节器则将q轴电压指令vq1*从零开始按转子时间常数增加。
   • 关键操作与估算原理：其原理基于异步电机的定子电流Is与转差率s（即输出频率ω与实际速度ωr之差）以及定子电压Vs之间的关系。输出电流Is会随着定子电压Vs的增加而逐渐增大。通过监控输出电流Is，并与预设阈值（Is1和Is2）进行比较，来协调控制电压和频率。当Is超过阈值Is1时，暂停升压并开始降频；若电流继续升高，则暂停降频并降压。如此反复，直到输出电流Is接近电机的励磁电流水平，这表明输出频率ω已接近电机的实际转速ωr。此时，系统锁定该频率作为估算速度，并切换到正常运行状态。

三、 主要研究结果

本研究通过在不同类型的电机上进行实验，验证了所提出的多模式估算方法的有效性。实验结果清晰地展示了各模式的工作情况及其对应的输出波形，为方法的可行性提供了直接的数据支持。

1. 零电流控制模式对PMSM的实验结果：论文图18展示了将该模式应用于一台额定参数为200V、0.75kW、1150min⁻¹的PMSM的实验波形。实验过程为：先驱动电机正转至1150 min⁻¹，然后封锁逆变器脉冲使电机自由滑行，接着在给定反转速度指令（-1150 min⁻¹）的同时，采用零电流控制模式重启逆变器。结果表明，该方法能够快速准确地估算出电机的旋转方向（由正转变为反转）和速度，并实现平滑的再启动。输出电压矢量的相位变化（如图4所示）被成功捕获并用于计算速度，验证了该模式对PMSM的有效性。

2. 零电流控制模式对异步电机的实验结果：论文图19(a)展示了将该模式应用于一台额定参数为200V、3.7kW、1750min⁻¹的异步电机的结果。电机先被反向驱动至900 min⁻¹，然后封锁脉冲进入滑行状态，随后给定正向速度指令（900 min⁻¹）并重启。实验显示，该方法能够利用衰减中的反电动势快速估算出方向与速度并重启逆变器。这证明了即使在反电动势较弱的情况下，该模式对于异步电机仍然有效，但性能可能受限于反电动势的衰减速度。

3. 直流电流注入模式对异步电机的实验结果：论文图19(b)展示了同一台异步电机在相同工况下，采用直流电流注入模式的结果。与零电流模式相比，该模式的重启过程较慢，因为它需要等待反电动势完全衰减并通过注入直流电流来建立新的励磁。实验结果验证了该模式通过q轴电流的频率和起始方向来估算速度和方向的能力，为反电动势过弱的情况提供了替代方案。

4. q轴电流零控制与频率调节模式对异步电机的实验结果：论文图20展示了将模式三和模式四应用于另一台小型异步电机（200V， 0.2kW）的实验结果。电机先被反向驱动至1800 min⁻¹，滑行后给定正向速度指令（1800 min⁻¹）。结果表明，q轴电流零控制模式成功估算出了旋转方向，而随后的频率调节模式则成功估算出了速度。这两个模式的配合使用，处理了高速自由旋转且可能引起直流母线电压泵升的复杂情况。

这些实验结果逻辑连贯地支撑了整个方法的构建：首先，模式一作为基础方案，适用于具有稳定反电动势的PMSM和某些异步电机；当其失效时，模式二作为补充，利用电流注入主动探测；当模式二因高速或电压泵升问题失效时，模式三和四作为更高级的闭环调节方案介入。实验结果证实，这套递进式的模式切换策略能够覆盖从PMSM到异步电机、从低速到高速、从有反电动势到无反电动势的各种自由旋转工况。

四、 研究结论

本研究提出并验证了一种创新的、无需速度和电压传感器的交流电机旋转方向与速度估算方法。其核心结论是：通过设计四种估算模式（零电流控制、直流电流注入、q轴电流零控制、频率调节）并构建一个自适应的模式切换序列，可以仅依靠电机相电流信息，对各种类型（永磁同步、异步）和不同工况（速度、残余磁通状态）下自由旋转的交流电机进行可靠的旋转方向与速度估算，从而实现逆变器的平滑、无故障启动与同步控制。

五、 研究意义与价值

本研究的价值体现在科学价值与应用价值两个方面： * 科学价值：本研究在传感器less控制领域做出了重要贡献。它系统地解决了自由旋转状态下电机初始状态检测这一难题，提出了一种分层、自适应的多模式估算框架。该框架将反电动势检测、信号注入、电流闭环控制和频率-电压协调搜索等多种技术有机整合，丰富了无传感器启动的理论体系，特别是针对带载或惯性较大系统的再启动问题提供了系统的解决方案。 * 应用价值：该研究具有很高的工程实用价值。所提出的方法仅依赖现有的相电流传感器（这是几乎所有变频器的标准配置），无需增加任何硬件成本，即可显著提高驱动系统的可靠性。这对于风扇、泵、压缩机等可能因外部力（如风、水流）而自由旋转的应用场合尤为重要，可以有效防止误操作引起的过流或过压故障，减少系统停机时间，提升设备的安全性和可用性。

六、 研究亮点

1. 创新的多模式自适应架构：本研究最大的亮点在于提出了一个包含四种模式的智能估算序列。这种设计不是单一的算法，而是一个根据电机类型和实时电气条件（反电动势大小、q轴电流频率、直流母线电压等）自动选择或切换策略的鲁棒性系统，极大地增强了方法的适用性和可靠性。
2. 全面的问题覆盖：方法涵盖了从永磁同步电机到异步电机，从利用固有反电动势到主动注入信号进行探测，从开环估算到闭环调节的各种情况，形成了一个完整的解决方案闭环。
3. 纯软件实现，无需硬件改动：所有估算均基于标准变频器硬件平台即可实现，便于在现有产品中升级和部署，商业化潜力巨大。
4. 详尽的实验验证：论文通过在不同功率、不同类型电机上的实验，清晰地展示了各模式的工作波形和性能，为方法的有效性和实用性提供了强有力的实证支持。

七、 其他有价值的内容

论文在阐述每种模式时，都辅以详细的框图、时序图、矢量图和等效电路分析，使理论阐述非常清晰。例如，图14的异步电机等效电路和图15的矢量图，为理解q轴电流零控制模式的工作原理提供了坚实的理论基础。此外，作者在讨论部分也简要提及了与已有文献方法的对比，指出了其方法在实用性方面的优势。附录的作者简介也显示了该研究团队在电机控制与能量转换系统领域具有深厚的产业与学术结合背景，确保了研究成果兼具前沿性与工程实用性。