哈爾濱工業大學電氣工程及其自動化學院的研究人員倪啟南、楊明、徐殿國、劉曉勝， 在2017年第22期《電工技術學報》上撰文指出， 伺服電機在裝備製造、新能源和家電等領域有著廣闊的應用， 為得到高精度轉子位置資訊， 通常採用旋轉變壓器或光電編碼器等高解析度位置碼盤， 但其價格普遍較高， 增加了系統設計成本。
而無感測器技術當前還很難全面滿足工業及家電等領域的應用要求。 低解析度位置感測器永磁同步電機驅動技術是一種能夠保證電機運行性能， 同時能有效控制系統成本、提高系統可靠性的轉子位置檢測技術，
介紹開關型霍爾位置感測器的使用方法與工作原理， 總結原始霍爾位置資訊誤差的來源與校正方法；重點討論基於插值法、同步坐標系濾波器法和觀測器法的轉子位置/轉速估算策略， 從提高低解析度位置感測器電機系統低速性能等方面分析和比較不同估算策略的原理、優缺點、適用範圍及應用情況；最後， 總結現有研究成果及有待解決的問題。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）憑藉著運行可靠、效率高和體積小等優點逐漸成為交流調速和伺服領域的主流。 尤其在數位控制系統中， 向量控制和空間向量脈寬調製方法的應用使得永磁同步電機能夠實現高性能的速度和位置控制。
在高性能PMSM控制系統中， 為了調節轉子速度和位置， 一般需要在電機轉子軸端安裝位置感測器用於轉速和位置閉環控制。 常用的高精度位置感測器有光電編碼器和旋轉變壓器， 但這些感測器在實際應用中會帶來很多問題， 比如硬體結構複雜、系統成本增加、介面和電纜增多導致系統可靠性降低、引入電磁干擾等。
為了解決這些問題， 在過去的40年裡國內外學者對交流電機的無位置/速度感測器控制進行了大量的研究[1-6]。 無位置感測器方法可以分為工作在閾值轉速之上的位置估算方法和工作在零速及低速條件下的位置估算方法兩類。
對於前一種方法， 轉子位置估算是基於電機定子電壓方程和電機參考模型實現的， 受電機參數和測量限制的影響， 在低速和零速條件下， 無法保證轉矩的可控性且控制回路頻寬非常低[7-10]。
後一種方法即高頻信號注入法， 是基於交流電機磁場凸極特性提出的， 可以實現電機在零頻率時的正常工作[11-16]。 但高頻信號的使用會導致額外的損耗、雜訊和振動， 這就極大地限制了這種無位置感測器方法在工業以及家電領域中的應用。
此外， 在加工製造業、新能源汽車和家電等領域， 永磁同步電機的應用還以表貼式為主， 由於沒有磁凸極， 高頻信號注入法很難從感抗的變化中確定電機的轉子位置。
如上所述，
低解析度位置感測器永磁同步電機驅動技術是一種能夠保證電機運行性能， 同時能夠有效降低控制系統成本的轉子位置檢測技術。 以開關型霍爾位置感測器為例， 其安裝簡單、成本低、體積小且對工作環境抗性較高。
開關型霍爾位置感測器在一個電週期內只能提供六個準確位置資訊， 無法實現轉子位置的精確定位。
同時轉子位置資訊的估計高度依賴開關型霍爾位置感測器提供的六個準確轉子位置信號， 因此對其安裝精度要求極高， 需要對機械安裝誤差進行有效校正， 以減小偏差， 提高估算精度。
本文以開關型霍爾位置感測器為主， 歸納梳理近年來的國內外關於低解析度位置感測器電機控制的文獻， 詳細分析了霍爾感測器安裝誤差矯正方法和高精度位置估算方法的基本思想及各種方法優缺點， 總結現有研究進展和存在的問題。
圖11 基於霍爾位置信號的向量跟蹤觀測器控制框圖
圖12 帶回饋解耦的位置向量跟蹤觀測器控制框圖
圖13 基於霍爾位置信號的級聯觀測器控制框圖
圖14 基於反電動勢電壓模型的向量跟蹤觀測器
結論1）低解析度位置感測器永磁同步電機驅動技術是一種能夠保證電機運行性能，同時有效控制系統成本並提高系統可靠性的轉子位置檢測技術。基於低解析度位置信號估計電機轉速和轉子位置的方法有很多，從模型法到非模型法，從開環控制到閉環控制。選擇何種估算方法取決於實際電機系統的硬體狀況和應用需求。
2）以平均速度法和平均加速度法為代表的插值法和濾波器法作為非模型法轉速估計方法能夠在特定速度範圍內保證轉速的穩定控制，但因為估算結果雜訊含量較高且滯後明顯，該估算方法的應用僅局限於風機、泵類等轉速連續性變化較少的場合。
3）具有閉環特性的觀測器轉速估算方法不僅對安裝誤差有更好的容忍性，同時能夠提高轉子位置估算精度，降低轉速估算誤差，為拓展電機系統速度環頻寬提供了可能。部分觀測器方法已成功應用於洗衣機、空調等家電和電動車領域。
4）目前低解析度位置感測器永磁同步電機正弦波驅動技術集中應用於恒轉速和恒負載，正反轉和調速動態性要求較低的條件下。而在數控機床等現代工業場合中轉速和負載經常連續性變化，因此研究一種能夠實現低解析度位置感測器通用伺服全閉環控制的轉速和位置估算技術是一個重要的研究方向。此外，從演算法實際應用表現、估算方法和電機控制器協同設計入手，同時結合系統參數辨識技術也將是未來的研究熱點。
總結現有研究進展和存在的問題。
圖11 基於霍爾位置信號的向量跟蹤觀測器控制框圖
圖12 帶回饋解耦的位置向量跟蹤觀測器控制框圖
圖13 基於霍爾位置信號的級聯觀測器控制框圖
圖14 基於反電動勢電壓模型的向量跟蹤觀測器
結論1）低解析度位置感測器永磁同步電機驅動技術是一種能夠保證電機運行性能，同時有效控制系統成本並提高系統可靠性的轉子位置檢測技術。基於低解析度位置信號估計電機轉速和轉子位置的方法有很多，從模型法到非模型法，從開環控制到閉環控制。選擇何種估算方法取決於實際電機系統的硬體狀況和應用需求。
2）以平均速度法和平均加速度法為代表的插值法和濾波器法作為非模型法轉速估計方法能夠在特定速度範圍內保證轉速的穩定控制，但因為估算結果雜訊含量較高且滯後明顯，該估算方法的應用僅局限於風機、泵類等轉速連續性變化較少的場合。
3）具有閉環特性的觀測器轉速估算方法不僅對安裝誤差有更好的容忍性，同時能夠提高轉子位置估算精度，降低轉速估算誤差，為拓展電機系統速度環頻寬提供了可能。部分觀測器方法已成功應用於洗衣機、空調等家電和電動車領域。
4）目前低解析度位置感測器永磁同步電機正弦波驅動技術集中應用於恒轉速和恒負載，正反轉和調速動態性要求較低的條件下。而在數控機床等現代工業場合中轉速和負載經常連續性變化，因此研究一種能夠實現低解析度位置感測器通用伺服全閉環控制的轉速和位置估算技術是一個重要的研究方向。此外，從演算法實際應用表現、估算方法和電機控制器協同設計入手，同時結合系統參數辨識技術也將是未來的研究熱點。