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     在電機(jī)控制領(lǐng)域，零速力矩保持（Zero-Speed Torque Control）是實(shí)現(xiàn)高精度位置控制、抗擾動(dòng)負(fù)載的關(guān)鍵能力。無(wú)論是無(wú)感矢量控制（Sensorless FOC）還是方波驅(qū)動(dòng)（Six-Step Commutation），在零速或極低速下維持穩(wěn)定力矩均面臨巨大挑戰(zhàn)：此時(shí)反電動(dòng)勢(shì)趨近于零，傳統(tǒng)的位置觀測(cè)方法失效，且電流閉環(huán)易受噪聲干擾。本文從原理、算法及實(shí)現(xiàn)層面，深度解析兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)零速力矩保持的核心方法。

一、零速力矩保持的核心挑戰(zhàn)

1. 位置觀測(cè)失效
• 無(wú)感FOC依賴反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）或磁鏈觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置，但在零速時(shí)BEMF幅值為零，傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器（SMO）或鎖相環(huán)（PLL）無(wú)法正常工作。
• 方波驅(qū)動(dòng)通常依賴霍爾傳感器或BEMF過(guò)零檢測(cè)換相，但在零速下BEMF消失，換相信號(hào)丟失。
2. 電流閉環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題
• 零速時(shí)電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，電流環(huán)需輸出恒定力矩以抵抗負(fù)載擾動(dòng)。但此時(shí)逆變器非線性效應(yīng)（死區(qū)時(shí)間、管壓降）和采樣噪聲顯著放大，導(dǎo)致電流波動(dòng)。
3. 熱損耗與效率
• 長(zhǎng)時(shí)間零速力矩保持需持續(xù)輸出電流，可能導(dǎo)致繞組過(guò)熱，需在控制中平衡力矩精度與溫升。

二、無(wú)感FOC的零速力矩保持方案

1.高頻信號(hào)注入法

• 原理
  ：向電機(jī)定子注入高頻電壓（如1-2kHz正弦波或方波），通過(guò)檢測(cè)電流響應(yīng)中的高頻分量，解析轉(zhuǎn)子位置。
• 實(shí)現(xiàn)步驟：

• 在d軸注入高頻電壓信號(hào)（如 Vhfsin⁡(ωhft)Vhfsin(ωhft)）。
• 通過(guò)帶通濾波器提取q軸電流中的高頻響應(yīng)分量 iqhiqh。
• 利用同步解調(diào)技術(shù)提取位置誤差信號(hào)，構(gòu)建位置觀測(cè)器（如Luenberger觀測(cè)器）。
• 優(yōu)勢(shì)
  ：可在零速下精確估算位置，支持靜默啟動(dòng)。
• 局限
  ：高頻噪聲可能引起可聞噪音，且需額外濾波算法，增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。

2.磁飽和效應(yīng)法

• 原理：利用電機(jī)鐵芯磁飽和特性，通過(guò)施加短時(shí)脈沖電壓，檢測(cè)電流上升斜率差異判斷轉(zhuǎn)子位置。

• 實(shí)現(xiàn)步驟：

• 向不同方向施加短時(shí)電壓脈沖（如6個(gè)基本矢量方向）。
• 測(cè)量各方向脈沖下的電流斜率，斜率最大的方向?qū)��?yīng)轉(zhuǎn)子磁極位置。
• 優(yōu)勢(shì)
  ：無(wú)需持續(xù)高頻注入，適用于間歇性零速保持場(chǎng)景。
• 局限
  ：脈沖注入可能引起力矩抖動(dòng)，需動(dòng)態(tài)調(diào)整脈沖寬度以降低影響。

3.改進(jìn)型觀測(cè)器設(shè)計(jì)

• 擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）：將電機(jī)模型非線性化，實(shí)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)估計(jì)，適應(yīng)零速工況。

• 自適應(yīng)滑模觀測(cè)器（ASMO）：引入?yún)��?shù)自適應(yīng)機(jī)制，補(bǔ)償電阻、電感變化對(duì)觀測(cè)的影響。

• 融合觀測(cè)器：結(jié)合高頻注入與模型觀測(cè)，低速時(shí)依賴高頻信號(hào)，高速時(shí)切換至BEMF觀測(cè)。

4.電流閉環(huán)增強(qiáng)策略

• 死區(qū)補(bǔ)償：通過(guò)前饋補(bǔ)償或在線辨識(shí)，消除逆變器死區(qū)導(dǎo)致的電壓誤差。

• 擾動(dòng)觀測(cè)器（DOB）：將負(fù)載擾動(dòng)視為外部干擾，通過(guò)觀測(cè)器實(shí)時(shí)補(bǔ)償電流環(huán)給定值。

• 模糊PID控制：根據(jù)誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整PID參數(shù)，抑制零速下的電流振蕩。

三、方波驅(qū)動(dòng)的零速力矩保持方案

1.強(qiáng)制換相與電流閉環(huán)

• 原理：
•      在零速時(shí)放棄傳統(tǒng)六步換相邏輯，改為固定相位導(dǎo)通，通過(guò)電流閉環(huán)控制輸出力矩。
• 實(shí)現(xiàn)步驟：

• 檢測(cè)到零速需求后，鎖定當(dāng)前換相狀態(tài)（如固定導(dǎo)通兩相）。
• 通過(guò)PI調(diào)節(jié)器控制相電流，維持目標(biāo)力矩。
• 優(yōu)勢(shì)： 無(wú)需復(fù)雜算法，硬件成本低。

• 局限：固定導(dǎo)通導(dǎo)致局部發(fā)熱，效率較低，且可能引起位置偏移。

2.低頻脈振注入法

• 原理：
•      在方波驅(qū)動(dòng)中疊加低頻脈振電壓，通過(guò)電流響應(yīng)判斷轉(zhuǎn)子位置。
• 實(shí)現(xiàn)步驟：

• 在導(dǎo)通相施加周期性電壓脈振（如50-100Hz）。
• 分析電流脈動(dòng)幅值與相位，估算轉(zhuǎn)子靜止角度。
• 優(yōu)勢(shì)：
•    兼容傳統(tǒng)方波驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。
• 局限：
•   力矩輸出存在周期性波動(dòng)，需優(yōu)化脈振頻率與幅值。

3.混合控制策略

• FOC-方波切換：
•    零速時(shí)切換至FOC模式實(shí)現(xiàn)力矩保持，高速時(shí)切回方波驅(qū)動(dòng)以降低開(kāi)關(guān)損耗。
• 示例方案：

• 啟動(dòng)階段采用高頻注入FOC鎖定轉(zhuǎn)子位置。
• 零速保持時(shí)運(yùn)行FOC電流閉環(huán)。
• 檢測(cè)到速度上升后切換至方波換相模式。

四、性能對(duì)比與適用場(chǎng)景

五、未來(lái)發(fā)展方向

1. AI驅(qū)動(dòng)的參數(shù)自整定：
2.    利用機(jī)器學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化高頻注入?yún)��?shù)與觀測(cè)器增益。
3. 寬禁帶器件應(yīng)用：
4.    GaN/SiC器件提升開(kāi)關(guān)頻率，降低高頻注入損耗。
5. 多物理場(chǎng)融合觀測(cè)：
6.    結(jié)合振動(dòng)、溫度信號(hào)輔助位置估算。

結(jié)語(yǔ)

     零速力矩保持是電機(jī)控制領(lǐng)域的“圣杯”問(wèn)題，無(wú)感FOC與方波驅(qū)動(dòng)需通過(guò)算法創(chuàng)新與硬件優(yōu)化協(xié)同突破。隨著邊緣計(jì)算與功率電子技術(shù)的進(jìn)步，零速靜默運(yùn)行與高精度力矩控制將成為下一代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的標(biāo)配能力。