基于双气隙信息交叉校正的转子机械位置高精度无传感器控制

《CES Transactions on Electrical Machines and Systems》：High Precision Sensorless Control of Rotor Mechanical Position Based on Cross Correction of Dual Air Gap Information

针对机器人关节伺服系统中位置传感器占用轴向空间、增加系统复杂性的问题，本研究基于双气隙双极复合电机（DDCM）结构，提出一种利用校正系数降低机械位置估计误差的新方法。该方法通过定义双极机械角偏差变量，将机械位置误差校正为单侧气隙电角度误差除以对应极对数，显著提升了位置估计精度。实验验证表明，该方法对电角度误差不敏感，在常规无传感器控制中具有广泛应用前景。

　　

在高端装备制造领域不断升级的浪潮中，位置伺服驱动系统已成为不可或缺的核心技术。传统机器人关节伺服系统通常依赖编码器或旋转变压器等位置传感器来获取转子机械位置，但这些传感器的安装不仅占用宝贵的轴向空间，还增加了系统的机械复杂性和故障率，这对于空间受限的紧凑型机器人设计而言尤为棘手。

无传感器控制技术通过硬件简化降低了机械和电路复杂度，成为解决这一难题的重要方向。然而，由于电机磁路结构的周期性对称特性，传统无传感器控制只能估计转子电角度，而无法直接获得绝对机械位置——这是因为在多极电机中，电角度与机械位置之间存在一对多的映射关系。这种局限性严重制约了无传感器控制在机器人关节等高精度伺服应用中的推广。

针对这一技术瓶颈，研究人员尝试过多种创新方案。例如，通过设计结构不对称的电机来实现机械角度估计，但这种方法会导致绕组电感增加和反电动势谐波失真等问题。另一种思路是采用双气隙双极复合电机（DDCM）拓扑结构，该结构采用双定子单转子配置，能够组合两种不同极对数的电机，为电机设计提供了更多选择。

DDCM结构虽然具有显著优势，但也带来了新的挑战。当采用传统无传感器控制技术进行位置估计时，内外气隙的电角度误差会共同影响机械位置估计精度。在极端工况下，这些位置误差甚至可能超过单个气隙的电角度误差。无论是基于转子凸极检测的低速注入法，还是依赖反电动势观测的高速模型法，其位置估计误差都不可避免地包含交流和直流分量。高频注入技术由于交轴电枢反应的影响，误差的直流分量通常难以消除；而滑模控制会使电流观测误差在滑模面附近波动，导致位置误差高频振荡。

在此背景下，青岛大学的研究团队在《CES Transactions on Electrical Machines and Systems》上发表了最新研究成果，系统分析了DDCM机械位置估计误差的产生原因，并提出了一种创新的校正方法。该方法的核心在于利用校正系数来降低这些误差，从而提高估计精度。

研究团队采用的主要技术方法包括：首先建立DDCM机械位置观测数学模型，推导出机械位置与双气隙电角度的关系式；然后定义双极机械角偏差变量θ_md，分析其在完整机械周期内的分布特性；进而提出基于该变量的机械位置误差校正算法，并推导出校正方案的适用性约束条件。实验验证在0.75 kW DDCM原型机上进行，通过塔姆伽瓦TS2620N21E11旋转变压器实时采集转子角位移信号，采用AD2S1210解码芯片进行数据处理，主控制器采用TMS320F28335数字信号处理器（DSP）。

机械位置观测原理与位置误差成因

研究人员首先阐述了DDCM机械位置的观测原理。当满足特定极对数比时，机械位置可通过公式θ_m=±(m₁θ_e1-m₂θ_e2)获得，其中θ_m为观测到的转子机械位置，θ_e1和θ_e2分别为内外气隙的电角度。正整数m₁和m₂需满足m₁p₁-m₂p₂=±1的条件，p₁和p₂为内外气隙的极对数。

分析表明，机械位置误差主要受三大因素影响：极对数组合、内外气隙电角度误差的相位关系以及m值的不同选择。以p₁=5、p₂=3为例，当内外气隙电角度误差分别为-4°和4°时，机械位置误差可达-20°；而当两者误差相位关系发生变化时，同一极对数组合下误差可能呈现完全不同的数值特征。这种多因素影响导致机械位置误差计算存在不稳定性，亟需新的校正方法。

机械位置误差校正

研究团队创新性地提出了双极机械角偏差θ_md的概念，定义为θ_md=θ_e1/p₁-θ_e2/p₂。该变量在完整机械周期内呈现离散分布特性，其数值与内外气隙极对数及取整次数γ₁、γ₂相关。当考虑电角度误差时，θ_md的观测值会发生偏移，但各元素仍保持差异性。

基于这一发现，研究人员提出了校正方法：通过判断θ_md的值，在原观测机械位置中加入校正系数K。当K=-m₂p₂θ_md时，校正后的机械位置误差降至θ_e1/p₁；当K=-m₁p₁θ_md时，误差降至θ_e2/p₂。这种方法无需区分电角度观测误差中的直流和交流分量，能在磁畸变或参数变化等非理想条件下有效抑制位置误差。

实验验证与结果分析

在0.75 kW DDCM实验平台上，研究团队对提出的机械位置校正方法进行了全面验证。实验设置电机机械转速为300 r·min^-1，结果显示，未校正时外气隙电角度误差在-11°至+4.6°范围内波动，内气隙误差在-6.4°至+0.6°之间，而机械角度位置误差高达24°且波动显著。

应用校正方法后，机械位置误差大幅降低至-1.7°至+0.7°范围内，误差波动明显改善。为验证校正后机械位置误差仅受单侧电角度误差影响，研究人员故意在内外气隙分别叠加了25Hz/5°和15Hz/5°的正弦位置误差。实验结果表明，即使在一侧气隙引入额外误差，通过另一侧气隙校正后的机械位置误差幅度仍保持稳定，证实了校正方法的鲁棒性。

本研究系统分析了极对数和电角度误差对DDCM机械位置估计误差的影响，提出了一种有效的位置误差校正方法。该方法通过将机械位置估计误差校正为内外气隙电角度位置误差除以相应极对数，使机械位置估计误差仅受单侧气隙电角度误差支配，解决了因极对选择不当引起的误差放大问题，同时消除了内外气隙误差间不良耦合导致的放大效应。

该校正方法对电角度估计误差敏感性低，可部署在常规无传感器控制中，为高精度伺服驱动和集成机器人系统中的位置估计提供了理论和技术支持。未来研究可进一步探索该方法在不同极对数组合和更复杂工况下的适应性，推动无传感器控制在机器人领域的更广泛应用。