無(wú)位置傳感器嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，其控制策略是通過(guò)集成位置觀測(cè)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(lái)代替編碼器。也就是說(shuō)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)通過(guò)算法進(jìn)行角度自學(xué)習(xí)，通過(guò)計(jì)算得出相對(duì)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子角度，以此來(lái)模擬位置傳感器功能。

當(dāng)然這項(xiàng)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(wú)位置傳感器電機(jī)。但是新能源主驅(qū)電機(jī)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)還未見先例（少部分企業(yè)會(huì)集成無(wú)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(wú)位置傳感器技術(shù)，據(jù)稱其算法在精度和動(dòng)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(dòng)電機(jī)控制方面還存在低速、NVH的相關(guān)問(wèn)題有待突破。此外，包括吉利、東風(fēng)、小鵬、聯(lián)合動(dòng)力等企業(yè)在這方面也都有研究布局。

圖片來(lái)源：博格華納

常規(guī)新能源驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)存在一定的誤差。

無(wú)位置傳感器的優(yōu)勢(shì)就可以解決上述的所有問(wèn)題，顧名思義無(wú)位置傳感器省去了硬件結(jié)構(gòu)，相對(duì)而言系統(tǒng)的重量和尺寸都會(huì)得到改善，同時(shí)還能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)電機(jī)參數(shù)攝動(dòng)（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(wú)位置傳感的估算方案

當(dāng)前，無(wú)位置傳感器控制技術(shù)主要?jiǎng)澐譃閮纱蠹夹g(shù)路線：

◎一是適用于中高速工況的模型觀測(cè)法，典型技術(shù)包括擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)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(cè)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(hào)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(shí)。這里簡(jiǎn)單解釋一下，為什么低速要切換方案，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，有用的信噪比很低，這也導(dǎo)致計(jì)算的反電動(dòng)勢(shì)誤差較大，進(jìn)而導(dǎo)致在低速范圍運(yùn)行時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子速度和位置的檢測(cè)失效。

圖片來(lái)源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)

通過(guò)上述兩類方法獲取包含轉(zhuǎn)子位置信息的反電動(dòng)勢(shì)、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(hào)的提取。其中，反正切函數(shù)屬于開環(huán)算法，對(duì)噪聲極為敏感，在高頻信號(hào)注入法的應(yīng)用場(chǎng)景中易引入較大的位置辨識(shí)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(duì)加速度輸入時(shí)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(lái)做的。

02.

用在驅(qū)動(dòng)電機(jī)里準(zhǔn)嗎，還差在哪里？

無(wú)位置傳感器的常規(guī)方案通?；谟来磐诫姍C(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(wú)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(wú)位置傳感器控制場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生誤差角度θerr，此時(shí)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(huì)直接干擾電感參數(shù)的標(biāo)定精度，反之電感誤差也會(huì)反向影響電阻的標(biāo)定結(jié)果。而且在擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)控制策略中，該誤差角度θerr會(huì)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(shí)過(guò)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(cè)值與實(shí)際的反饋值存在誤差，這也是無(wú)位置傳感器精度不夠的原因。當(dāng)前的解決方案是通過(guò)估算與PI控制，把電流誤差收斂為零，讓輸出的反電動(dòng)勢(shì)偏差可精準(zhǔn)表征轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的偏離程度。

從當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，硬件位置傳感器仍無(wú)法被完全舍棄。但無(wú)位置傳感器依然值得被研究，以應(yīng)對(duì)硬件位置傳感器存在運(yùn)行過(guò)程中異常失效的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橐坏╇姍C(jī)位置傳感器失效，電機(jī)轉(zhuǎn)速將無(wú)法被精準(zhǔn)采集，進(jìn)而引發(fā)整車故障停機(jī)。借助無(wú)位置傳感器控制策略，可確保車輛在無(wú)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(hào)，從而規(guī)避傳感器失效導(dǎo)致的整車故障停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

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

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

總結(jié).

雖目前硬件位置傳感器無(wú)法完全替代，但無(wú)位置傳感器可作為冗余方案規(guī)避傳感器失效風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)，隨著技術(shù)瓶頸的突破，無(wú)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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