综述：在下一代交通系统中，将高频注入技术集成用于无传感器控制永磁同步电机（PMSMs）：原理、挑战与解决方案

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Integration of high-frequency injection methods for sensorless control of PMSMs in next-generation transportation systems: Principles, challenges, and solutions

　　戴凯凯|丁云鹏|王群静|钱哲|邓文哲|孙泽辉|陈启旭|吴立建
中国安徽大学电气工程与自动化学院，合肥

**摘要**
近年来，永磁同步电机（PMSMs）因其竞争优势（包括高扭矩密度、低扭矩波动和增强的可靠性）而在交通系统中得到了广泛应用。作为PMSMs无传感器控制的关键技术，高频（HF）信号注入方法在零速和低速范围内表现出卓越的位置估计能力。它弥补了传统基于反电动势观测方法的不足，后者在低速区域无法有效工作。与现有综述不同，本文不仅全面回顾了使用HF信号注入进行PMSMs无传感器控制的原则，还建立了一个系统框架来分析HF信号注入方案中的物理层面非理想因素，如电机特性和驱动系统约束。此外，本文还讨论了无传感器控制的几个关键趋势，并明确将这些先进的无传感器解决方案与下一代交通系统的苛刻运行要求联系起来。本文提出的所有见解和建议有望促进PMSMs的稳健运行。

**引言**
近年来，得益于技术的快速发展，永磁同步电机（PMSMs）已成为下一代交通系统（NGTS）的核心推进单元，例如电动垂直起降（eVTOL）飞机、自动驾驶电动汽车（EV）和智能移动平台[1,2]。然而，传统的PMSM控制依赖于机械传感器来提供转子位置信息。在NGTS紧凑且高应力的环境中，这些传感器极易受到强烈振动、极端温度波动和电磁干扰（EMI）的影响。在关键运行阶段，单个传感器的故障可能导致灾难性后果。因此，无传感器控制不再仅仅是一种降低成本策略，而是一种强制性的、至关重要的冗余措施[3]。为了清楚地说明这项研究的必要性，图1展示了NGTS的严格运行要求与无传感器技术的具体技术瓶颈及进化解决方案之间的逻辑联系。

目前，PMSMs的无传感器控制方法主要可以分为基于反电动势（EMF）的方法（如滑模观测器（SMO）和模型参考自适应控制[[4], [5], [6]]，以及基于显著性跟踪的方法（如HFSI）[7,8]，如图2所示。基于模型的方法主要依赖反电动势进行位置估计，适用于中高速范围。然而，基于模型的方法严重依赖于反电动势，其幅度与转子速度成正比。在低速或零速时，反电动势信号几乎可以忽略不计，并且容易受到逆变器非理想电压降（如死区效应、功率器件正向电压和测量噪声）的影响。因此，反电动势的信噪比（SNR）急剧下降，使得可靠地提取转子位置信息在数学上和实际上都变得不可行。

相比之下，HFSI方法通过向电机注入HF信号电压或电流信号来提取转子位置信息。利用电机固有的显著极点效应（包括磁阻变化和饱和效应），即使在低速或零速下也能实现高精度的无传感器控制。在NGTS的具体背景下，HFSI方法尤为重要。它能够在反电动势方法完全失效的安全关键低速操作中保证转子位置的稳健估计。然而，基本的HFSI方法会引入严重的副作用，如声学啸叫声、扭矩波动和信号延迟。这些问题直接违反了现代移动平台的极端噪声、振动和 harshness（NVH）标准及动态约束。因此，系统地回顾和整合HFSI优化策略以解决这些非理想因素是一个基本前提。

尽管已经发表了几篇关于PMSMs无传感器控制的优秀综述，但它们主要集中在广泛的算法分类[3]、高速反电动势观测器[9]或一般工业应用[10]上。因此，仍存在一个关键的研究空白：现有文献缺乏对无传感器控制中严重非理想物理约束（如交叉饱和、逆变器非线性和系统延迟）的深入全面分析，这些因素严重限制了HFSI在实际应用中的推广。为了清楚地展示本文的独特价值，表1总结了最近相关综述的主要范围和局限性，并强调了本研究如何解决这些未解决的问题。

本文试图提供关于HF信号注入方法的全面文献综述，涵盖基本原理、关键技术及最新研究进展。本文的其余部分组织如下：第2节详细分析了PMSMs在HF信号激励下的数学模型；第3节介绍了几种典型注入信号的基本原理；第4节探讨了HF信号注入方法面临的关键挑战及其解决方案；第5节讨论了正在进行和未来的工作；第6节提出了结论性意见。为了提供清晰的路线图并增强这篇系统综述的一致性，建立了一个总体概念框架，并在图3中进行了说明。

**HF信号注入方法的机制和模型**
PMSM是一个强耦合的复杂非线性系统。建立适当的数学模型对于设计先进的PMSM控制算法至关重要。PMSM在旋转坐标系中的电压方程可以表示为：
\[uduq = Rs[idq] + [pL_d - weL_qweL dpL_q][idiq] + [0we\psi_f]\]
其中，ud、uq、id、iq、Ld和Lq分别代表旋转坐标系中的电压、电流和电感的dq轴分量。Rs表示电机的定子电阻。

**典型的HF信号注入方案和解调技术**
在深入研究各种HFSI方案的具体数学模型和解调机制之前，有必要对其固有的权衡有一个宏观理解。HFSI方法通常根据注入向量的轨迹（旋转式 vs. 脉冲式）和波形性质（正弦波 vs. 方波）进行分类。为了提供直观且关键的比较，表2总结了HFSI方法的特性、动态性能、固有弱点和常见问题及其解决方案。

**尽管HF信号注入方法在PMSMs的无传感器控制中展示了显著优势，但其实际应用仍面临多个物理层面的技术挑战。算法设计、电机特性和驱动系统中的非理想因素会影响转子位置估计。此外，从系统层面来看，连续注入HF能量会对整个电机产生严重的负面影响。**

**前景**
虽然HFSI方法已在各种PMSMs无传感器控制场景中得到了广泛研究和成功应用，但仍存在几个关键瓶颈——特别是在应对NGTS的严格要求时，可靠性、NVH和动态性能至关重要。该领域的核心挑战在于，随着电机驱动系统向更高功率密度发展，非理想的物理特性变得越来越严重，这与核心要求直接冲突。

**结论**
本文全面概述了基于HF信号注入的PMSMs在低速范围内的无传感器控制。首先，系统地分析了三种典型激励方法（即旋转正弦信号注入、脉冲正弦信号注入和脉冲方波信号注入）的数学模型和信号解调机制。详细讨论了不同注入方法的优缺点。

**作者贡献声明**
戴凯凯：概念化、方法论、可视化、写作 - 审稿与编辑。
丁云鹏：数据整理、调查、初稿撰写。
王群静：监督、资金获取。
钱哲：概念化、形式分析。
邓文哲：可视化、形式分析。
孙泽辉：可视化、形式分析。
陈启旭：调查。
吴立建：写作 - 审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金区域创新联合基金（U23A20647）、安徽省科技攻关计划项目（202423c12050001）、安徽省教育委员会自然科学科研项目（2024AH050084）以及安徽大学节能电机与控制技术国家工程实验室（KFKT202402）的支持。