1 引言        伺服控制系統是一種由反饋控制實現的高精度跟蹤與定位隨動系統，是雷達、火炮等軍事裝備和數控機床、機器人、生產線等工業數控系統的主要組成部分。其系統原理如圖1所示。位置檢測元件對機床工作臺位移或伺服電動機轉子角位移進行檢測，將信號反饋到伺服控制器，既實現位置閉環控制又實現速度閉環控制。考慮到電流內環或轉矩內環控制的存在，伺服控制系統是一種三回路閉環自動控制系統。         按照目前的應用現狀，伺服位置檢測技術可分為有位置傳感器技術、準無位置傳感器技術和無位置傳感器技術三種。有位置傳感器技術中所使用的位置傳感器包括旋轉變壓器、光柵傳感器和磁性編碼器。準無位置傳感器技術利用開關型霍爾元件提供的定位信息，通過預估算法獲得轉子位置信號。無位置傳感器技術則與所采用的伺服電動機類型密切相關，直流無刷電動機和永磁同步電動機都有多種無位置傳感器算法。

2 有位置傳感器技術 2.1旋轉變壓器         旋轉變壓器是一種模擬式測角元件，早期用作模擬計算機的解算部件，后來逐漸用于伺服系統。它是一種低阻抗輸出元件，且傳送的角度信息由輸出電壓的比值而不是電壓的絕對值決定，因而抗干擾能力很強。此外還具有結構簡單、成本低、檢測精度較高，尤其是對環境適應能力較強的特點，被廣泛地應用到航空、軍事、工業等隨動系統中。隨著汽車工業的發展，旋轉變壓器也開始應用到混合動力汽車和電動汽車的驅動控制中。         旋轉變壓器分有刷和無刷兩種結構。廣泛應用的是無刷旋轉變壓器，它通過一套環形變壓器代替普通電刷滑環，使得旋轉變壓器的壽命更長、工作更可靠。旋轉變壓器的輸出信號是連續變化的正余弦模擬信號，角度信息寄生在載波的調制上，需要配合專用的解碼芯片才能得到位置的數字信號輸出。常用的解碼芯片如多摩川的AU6802N1或AU6803解碼芯片，AD公司的AD2S83或AD2S1200解碼芯片，DDC公司的RDC-1922X解碼芯片等。         旋轉變壓器的精度隨著極對數的增加而提高，其分辨率則與勵磁頻率的高低成正比。采用的極對數有1、2、4、8、16、32和64，極對數較少的精度為1角分，極對數較多的精度可達10角秒，極對數更多的精度接近1角秒。通常的勵磁頻率為400Hz、1kHz、2kHz、3kHz和10kHz，分辨率從12位到16位之間不等。值得注意的是，有些解碼芯片輸出絕對位置編碼之外，還提供A、B、Z增量信號輸出，如AU6802N1提供12位的絕對位置數字量和每圈1024脈沖的增量信號。從直觀數字上看，增量信號輸出的每圈脈沖數較少，但考慮到正交信號4倍頻后，增量信號的分辨率實際為1/4096，與絕對位置數字量的分辨率(12位)相同。 2.2光柵傳感器         光柵技術出現得很早，特別是經過近二三十年的快速發展，刻制技術、莫爾條紋細分技術和光電轉換技術都得到了充分的改進，利用光柵技術進行長度和角度測量的光柵傳感器已經普遍應用于計量和控制系統中。用于長度測量的光柵傳感器稱為光柵尺，用于角度測量的光柵傳感器稱為光電編碼器，或稱旋轉編碼器。         在細分技術的作用下，光柵尺精度的最高水平可以做到0.5μm，分辨率0.1μm。光電編碼器精度的最高水平可以做到0.15角秒，分辨率0.1角秒。不考慮細分技術，光柵尺的最小柵距只能做到4μm，光電編碼器的最小柵距角只能做到20角秒。                                                                                                                                                                                         光電編碼器分為增量式、絕對值式和混合式三種。增量式光電編碼器輸出A，A，B，B ，Z ，Z 六路脈沖信號，這種正交編碼可以實現脈沖4倍頻，即直接的光學4倍細分技術。這種光學細分是由內部的4路光電元件的安放所保證的，是同時提高精度和分辨率的有效手段。而所謂的電子細分只是在兩個基本脈沖之間插入多個計數脈沖，可以提高分辨率，進而提高響應速度，減小控制延遲。但指望電子細分提高精度是不現實的。精度是由基本脈沖精度決定的，電子細分能充分利用這個精度，但不能超過這個精度。目前多數高性能交流伺服系統采用光柵細分技術時，常用4倍光學細分加上32倍電子細分就是考慮了這個道理。         絕對值式光電編碼器是直接輸出數字量的傳感器，對于一個具有N位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。由于信號電路復雜，絕對值式光電編碼器的位數難以做得很高，一般有10、12、14位。 混合式光電編碼器輸出兩組信息，一組是絕對信息，用于磁極的粗略定位；另一組則是增量信息，實現對運轉位置的準確分辨。         光柵傳感器有高精度、高分辨率、大量程和小慣量的優點，但也有抗振差、耐溫低、怕潮濕、位置記憶困難、價格高的缺點。使用時要極為小心，否則易出現意外損壞的情況。 2.3磁性編碼器         磁性編碼器是近年發展起來的一種新型編碼器。有單對磁極式和多磁極式(磁敏電阻式)兩種。與光電編碼器相比，其結構簡單、響應速度快、不怕灰塵油污和水露、抗振動和沖擊、壽命長、價格低，但分辨率都比較低。增加相數可以提高單對磁極式磁性編碼器的精度和分辨率。對于多磁極式編碼器，制造工藝較復雜，價格較高。增加磁極對數可以提高多磁極式編碼器的精度和分辨率。         單對磁極式磁性編碼器是在芯片中嵌入4個、6個或8個按圓周排列的霍爾傳感器。相對的兩個霍爾傳感器通過差分放大器連接在一起，輸出一相模擬信號。全部霍爾傳感器處理后得到兩相、三相或四相信號。內嵌的DSP對信號進行A/D轉換和數字濾波，最后計算輸出角度的數字量。讓與電機轉軸相連的一對旋轉磁極在磁性編碼器芯片的上方旋轉即可實現無接觸角位置測量。         據報道，單對磁極式磁性編碼器的體積和重量都比光電編碼器小幾十倍，分辨率10-12位，精度8-10位。也出現了為空間應用研制的高精度磁性編碼器，分辨率16位，精度12位，靠FPGA實現磁性編碼器的信號處理與驅動控制。 3 準無位置傳感器技術         有學者采用一個到三個鎖定型霍爾傳感器獲得轉子定位信息，經過軟件計算，從中提取出較高精度的轉子位置信號和速度信號，并產生正弦波參考電壓信號。將該方法用于正弦波驅動的永磁伺服穩速系統中，在穩速時，檢測的轉子位置信號誤差很小。         將開關型霍爾元件安裝在永磁電機定子槽口或端部構成的簡易磁開關式編碼器，實際上已經在永磁無刷直流電動機中獲得廣泛的應用。在正弦波驅動的永磁伺服系統中，這種編碼器的分辨率則顯得太粗糙，而且只適合于穩速和高速場合。但這種粗分辨率的編碼器可以支持無傳感器位置控制技術。即通過簡易磁開關式編碼器的粗定位來減低無傳感器位置辨識的難度，并能校正無傳感器位置辨識的誤差。這種方案在永磁伺服系統中應該有一定的發展前途。 換一個角度，準無位置傳感器技術與磁性編碼器的原理很接近，可以看作是定制的磁性編碼器。 4 無位置傳感器技術         最先提出無位置傳感器控制方法的時候使用的名稱是“波形檢測方法”，后來更名為“非直接檢測方法”，接著又發生爭論，認為應更名為“直接檢測方法”，最后統一到“無傳感器技術”的提法上。現在看來，“無傳感器技術”的提法也有歧義，該技術僅僅是取消了位置傳感器，還是需要電壓傳感器、電流傳感器實現波形檢測，而不是取消所有傳感器。因此該項技術稱為“無位置傳感器技術”更加準確直觀。 參閱大量的文獻，分析伺服控制系統無位置傳感器控制技術上所提出的研究方法，可以歸納為一下四類： (1)直接計算法         這一類方法這要包括反電動勢積分法、動態速度估計器法和滑差頻率估計法，其中在實際應用中，反電動勢法最為常用。這一類方法的特點是應用電機電壓或者電流方程，結合所在控制系統在線估算出電機定子磁鏈的大小和空間位置，計算出相應的功率角，得出轉子位置和轉速。以反電動勢積分法為例，通過計算電樞中的反電動勢，對反電動勢進行積分就可以推出電機磁鏈軌跡，進而求得電機的轉速。從中我們不難發現，該類方法計算簡單，易于實現，是當前無傳感器技術在工業應用中最多的一類技術。缺點是電機不能夠自啟，無法檢測到電機的轉子初始位置，低速效果差。 (2)觀測器法         這一類方法主要包括模型參考自適應法、滑模觀測器法、自適應速度觀測法、擴展卡爾曼濾波法等。觀測器法是建立在現代控制理論上的一種狀態觀測法。依據電動機的數學模型構建一個觀測器模型，將測得已知變量輸入到觀測器模型中，通過計算修正求的控制系統的反饋量，使估算值趨于實際值。         觀測器法大大的提高了系統參數的魯棒性和抗干擾能力，改進型的觀測器還可以提高低速段運行的觀測精度，相對于直接計算法來說，電機的調速范圍變寬。同時降低了控制系統的硬件成本。這一類方法的不足之處是過分依賴電機參數，算法復雜，軟件開發成本高，電機無法自啟。近年來，高速數字處理芯片的相繼問世，解決了觀測器法算法復雜的難題，使得觀測器法從理論逐步走向現實，工業中也出現了部分使用觀測器法的無位置傳感器控制產品。 (3)利用電機結構特性的檢測法         這一類方法主要包括諧波檢測法和凸極跟蹤法，它的特點是轉子位置信息的跟蹤是根據電機自身的結構特性來進行估測的。利用電機結構特性的檢測法大多不依賴電機本體的參數，可以在較寬范圍內實現電動機的調速，而且在低速時可以保持較高的檢測精度。從這類方法的特點不難看出，它是針對有特殊結構的電動機而研發的一種無位置傳感器法，這就造成了該類方法的適用范圍窄，而且由于采用硬件技術實現，大大增加了控制系統的硬件成本，實現難度大，實際應用推廣較難。 (4)先進的人工智能估算方法         進入上個世紀九十年代，很多學者把人工智能的方法引入到無傳感器控制技術中，該類方法適用范圍廣，不需要精確的電動機數學模型，具有良好的抗擾動特性。同樣它的缺點是計算繁瑣、算法復雜，而且需要有豐富的專家知識，因此在當前國內外尚處于理論研究階段，沒有任何實際的產品應用。 4.1無刷直流電動機無位置傳感器技術         與無刷直流電動機相關的無位置傳感器技術包括反電勢法、續流二極管法、電感法、渦流效應法和狀態觀測器法。某種方法很難適應各種場合下的無刷直流電機，甚至不能適應同一應用場合的不同負載條件，因此實際應用中必須根據具體情況選用適當的控制方法。         反電勢法原理簡單，實現方便，但也有弱點：起動困難和相位補償。電機通常要進行三段式起動。在此又有學者提出了采用固定相位滯后的開關電容低通濾波器的方法，使得在電機轉速變化的情況下，相位滯后90?電角度不變，得到無需相位補償的轉子位置信號。         續流二極管法又稱“第三相導通法”，其本質還是反電勢法，只是在“斷開相”反電勢過零點檢測上有了一定的改變。這種改變在一定程度上能夠拓寬電機的調速范圍，尤其是能拓寬電機調速的下限。         電感法是考慮繞組電感會因為轉子位置的改變而發生相應變化，通過檢測這些變化，再經過一定計算，即可得到轉子位置信號。         渦流效應法是在永磁轉子的表面粘貼一些非磁性的導電材料，利用定子繞組高頻開關工作時非磁性材料上的渦流效應，使開路相電壓的大小隨轉子位置角變化。這種方法排除了反電勢的利用，因而能保證起動和低速時的可靠運行。 狀態觀測器法即轉子位置計算法，一般只適用于感應電勢為正弦波的永磁無刷直流電機，且計算繁瑣，對處理器要求較高，所以這種方法應用不是很廣泛。 4.2永磁同步電動機無位置傳感器技術         與永磁同步電動機相關的無位置傳感器技術，文獻中進行了很好的總結，在此引用其中的分類方法。         永磁同步電機無位置傳感器控制方法大體可以分為三類：一類是基于電機理想模型的開環計算方法；另一類是基于各種觀測器模型的閉環算法；最后是以高頻注入法為代表的基于電機非理想特性的算法。這些方法各有優缺點。         基于電機理想模型的開環計算方法包括直接計算法、電感法、反電勢積分法和擴展反電勢法。基于觀測器模型的閉環算法有擴展卡爾曼濾波器法、滑模觀測器法和模型參考自適應算法。基于電機非理想特性的算法是指旋轉高頻注入法、脈振高頻注入法和低頻注入法。         最早應用的開環算法計算過程簡單，在電機參數正確的前提下能夠得到較為準確的轉子位置估算結果。當由于溫度變化、磁路飽和效應等引起電機參數變化時，觀測的精度隨之下降，因而無法滿足一些高性能控制場合的要求。         基于觀測器模型的閉環算法使觀測精度和系統穩定性有很大提高。但是這些閉環算法都直接或間接地從反電勢中提取位置信號。由于反電勢幅值與速度成正比，當轉速很低甚至到零速時反電勢的信噪比會很小，導致不能精確地估算轉子速度和位置。         基于電機非理想特性的算法利用凸極電機自身的凸極特性或者在高頻信號下隱極電機所表現出來的凸極特性來估算電機轉子位置和轉速，可以解決低速下的位置觀測問題。是目前發展勢頭很強勁的一類方法。 5 結束語         伺服系統中的位置檢測技術領域呈現一片繁榮的景象。各種類型的位置傳感器都在不斷地推陳出新，增加種類，提高性能和可靠性，降低價格。多種無位置傳感器算法也正在被深入地研究。         無位置傳感器算法很多的事實一方面說明這是受關注的熱點，另一方面也說明該技術還未成熟，沒有哪一種算法脫穎而出，一勞永逸地解決所有問題。而且這些轉子位置估計算法復雜、計算量大，需要高速運算處理器，成本也不低。只是將成本由電機側轉移到了控制器側。         從應用規模看，有位置傳感器技術仍占據大部分江山，無位置傳感器技術的性能還不盡如人意。要重現交流調速取代直流調速的形勢，讓無位置傳感器技術徹底取代有位置傳感器技術，還需假以時日。 作者簡介 張春喜(1964-)男 教授，博士。主要研究方向為電機調速與電力控制。 戴麗莉(1985-)女 碩士研究生。主要研究方向為智能儀表與測控系統。 參考文獻 [1]李永東，朱昊. 永磁同步電機無速度傳感器控制綜述[J].電氣傳動，2009，39(9): 3-10. [2]呂志勇，江建中.永磁無刷直流電機無位置傳感器控制綜述[J].中小型電機，2000，27(4): 33-36. [3]曲家騏，王季秩.伺服控制系統中的傳感器[M].北京：機械工業出版社，1998: 155-170. [4]陳慧，馬躍強，王磊等.旋轉變壓器位置檢測在EPS中的應用[J].傳感器與微系統，2006，25(4): 70-74. [5]郝雙暉，劉勇，郝明暉等.過采樣提高單對磁極編碼器分辨率[J].微特電機，2007，12: 1-3. [6]徐征，李鐵才.準無位置傳感器永磁同步電動機驅動系統中霍爾傳感器位置檢測誤差的分析及解決方案[J].中國電機工程學報，2004，24(1): 168-173. [7]徐永向，鄒繼明，趙猛等.基于單霍爾傳感器的PMSM位置檢測方法[J].哈爾濱工業大學學報，2008，40(11): 1769-1772. [8]郭清風，楊貴杰，晏鵬飛等. SMO在無位置傳感器PMSM驅動控制系統的應用[J].電機與控制學報，2007，11(4): 354-358. [9]秦峰，賀益康，劉毅等.兩種高頻信號注入法的無傳感器運行研究[J].中國電機工程學報， 2005，25(5): 116-121. [10]吳姍姍，李永東.基于信號注入的極低速PMSM無速度傳感器控制[J].電氣傳動，2008, 38(1): 19-22. [11]冬雷譯.永磁電機無位置傳感器控制方法[J].電力電子，2004，7(2): 29-35.