车用PMSM无位置传感器控制的瞬态性能提升方法

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.05.008

摘要/Abstract

摘要：

针对纯电动商用车转向助力油泵应用中的永磁同步电机瞬态响应不足的难题，提出一种基于级联扩张状态观测器的转速环优化策略。设计了扩展卡尔曼滤波器作为无位置传感器控制基础，自适应设计避免了参数整定复杂、收敛速度慢的问题。通过内外扰动的级联观测，并采用线性反馈控制率替代传统PI控制器，提升了转速环的抗扰和跟踪能力。台架实验表明，本文所提无传感器控制架构在动态和稳态工况下显著降低了位置估计误差，稳态误差仅为1.4°；优化的转速环控制有效提升了系统抗扰能力和电机瞬态响应性能。实车可靠性测试显示，转向助力电机控制器运行稳定，无性能故障发生。

关键词: 永磁同步电机, 无位置传感器控制, 扩展卡尔曼滤波, 扩张状态观测器

Abstract:

A speed loop optimization strategy based on cascaded extended state observer （ESO） is proposed to address the insufficient transient response of permanent magnet synchronous motor （PMSM） for steering power oil pump application in pure electric commercial vehicles. An extended Kalman filter （EKF） is designed as the basis of position sensorless control， with the adaptive design to avoid the problems of complicated parameter tuning and slow convergence. The anti-disturbance and tracking ability of the speed loop is improved by the cascaded observation of internal and external disturbances， and the use of the linear state error feedback control rate （LSEFC） for replacement of the traditional PI controller. The bench tests show that the sensorless control scheme proposed in this paper significantly reduces the position estimation error under dynamic and steady-state conditions， with a steady-state error of only 1.4°. The optimized speed loop control effectively improves the system's performance of disturbance rejection and transient response. The reliability test shows that the steering power motor controller operates stably without performance failure.

Key words: permanent magnet synchronous motor, position sensorless control, extended Kalman filter, extended state observer

林程,徐垚,张虹,邢济垒,李希宸. 车用PMSM无位置传感器控制的瞬态性能提升方法[J]. 汽车工程, 2025, 47(5): 875-887.

Cheng Lin,Yao Xu,Hong Zhang,Jilei Xing,Xichen Li. Transient Performance Enhancement Method for Position Sensorless Control for Automotive PMSMs[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(5): 875-887.

图/表 13

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参考文献 27

1	王国栋，王丽芳，吴艳，等. 基于单电流调节器的永磁同步电机深度弱磁控制及模式切换控制策略［J］. 汽车工程， 2023， 45（2）： 219-230.
	WANG G D， WANG L F， WU Y， et al. Deep flux weakening control and mode switching control strategy of permanent magnet synchronous motor based on single current regulator［J］. Automotive Engineering， 2023， 45（2）： 219-230.
2	吴志恒，刘爱民. 汽车永磁同步电机切换函数式混合控制策略［J］. 汽车工程， 2023， 45（4）： 619-626，597.
	WU Z H， LIU A M. Switching functional hybrid control strategy for permanent magnet synchronous motor of electric vehicle［J］. Automotive Engineering， 2023， 45（4）： 619-626，597.
3	林程，徐垚，邢济垒，等. 车用超高速永磁电机驱动控制技术综述［J］. 汽车工程， 2022， 44（7）： 1049-1058.
	LIN C， XU Y， XING J L， et al. An overview of drive control technology of ultra-high-speed permanent magnet motors for vehicles［J］. Automotive Engineering， 2022， 44（7）： 1049-1058.
4	董梒，季学武，陶书鑫，等. 商用车电控转向系统的发展现状与趋势［J］. 汽车工程， 2024， 46（5）： 816-829.
	DONG H， JI X W， TAO S X， et al. Development status and trends of electronic control steering systems for commercial vehicles［J］. Automotive Engineering， 2024， 46（5）： 816-829.
5	李浩源，张兴，杨淑英，等. 基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术综述［J］. 电工技术学报， 2018， 33（12）： 2653-2664.
	LI H Y， ZHANG X， YANG S Y， et al. Review on sensorless control of permanent magnet synchronous motor based on high-frequency signal injection［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（12）： 2653-2664.
6	SOYSA G S D， MADAWALA U K， BEVILAQUA M A， et al. Asymmetric phase winding based pulsating HF signal injection technique for surface PMSMs ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2025， 40（1）： 241-251.
7	YU K， WANG Z. Position sensorless control of IPMSM using adjustable frequency setting square-wave voltage injection ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2022， 37（11）： 12973-12979.
8	NADERIAN M， MARKADEH G A， KARIMI-GHARTEMANI M， et al. Improved sensorless control strategy for IPMSM using an ePLL approach with high-frequency injection ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2024， 71（3）： 2231-2241.
9	YANG Q， MAO K， ZHENG S， et al. Position sensorless drive with online parameters estimation for magnetic suspension centrifugal compressor ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2023， 38（8）： 9384-9394.
10	NOVAK Z， NOVAK M. Adaptive PLL-based sensorless control for improved dynamics of high-speed PMSM ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2022， 37（9）： 10154-10165.
11	张洪帅，王平，韩邦成. 基于模糊PI模型参考自适应的高速永磁同步电机转子位置检测［J］. 中国电机工程学报， 2014， 34（12）： 1889-1896.
	ZHANG H S， WANG P， HAN B C. Rotor position measurement for high-speed permanent magnet synchronous motors based on fuzzy PI MRAS［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（12）： 1889-1896.
12	WANG G， VALLA M， SOLSONA J. Position sensorless permanent magnet synchronous machine drives—a review ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2020， 67（7）： 5830-5842.
13	WANG H， YANG Y， GE X， et al. PLL- and FLL-based speed estimation schemes for speed-sensorless control of induction motor drives： review and new attempts ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2022， 37（3）： 3334-3356.
14	YANG H， YANG R， HU W， et al. FPGA-based sensorless speed control of PMSM using enhanced performance controller based on the reduced-order EKF ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2021， 9（1）： 289-301.
15	IDKHAJINE L， MONMASSON E， MAALOUF A. Fully FPGA-based sensorless control for synchronous AC drive using an extended Kalman filter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（10）： 3908-3918.
16	SMIDL V， PEROUTKA Z. Advantages of square-root extended Kalman filter for sensorless control of AC drives ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（11）： 4189-4196.
17	NIEDERMAYR P， ALBERTI L， BOLOGNANI S， et al. Implementation and experimental validation of ultrahigh-speed PMSM sensorless control by means of extended Kalman filter ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2022， 10（3）： 3337-3344.
18	XU D， ZHANG S， LIU J. Very-low speed control of PMSM based on EKF estimation with closed loop optimized parameters ［J］. ISA Transactions， 2013， 52（6）： 835-843.
19	APTE A， JOSHI V A， MEHTA H， et al. Disturbance-observer-based sensorless control of PMSM using integral state feedback controller ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2020， 35（6）： 6082-6090.
20	QU L， QIAO W， QU L. An extended-state-observer-based sliding-mode speed control for permanent-magnet synchronous motors ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2021， 9（2）： 1605-1613.
21	LIN X， XU R， YAO W， et al. Observer-based prescribed performance speed control for PMSMs： a data-driven RBF neural network approach ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2024， 20（5）： 7502-7512.
22	ZHANG X， YANG T， BOZHKO S. Speed/torque ripple reduction of high-speed permanent magnet starters/generators with low inductance for more electric aircraft applications ［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2022， 8（4）： 4431-4443.
23	WANG C， YAN J， LI W， et al. Disturbances rejection optimization based on improved two-degree-of-freedom LADRC for permanent magnet synchronous motor systems ［J］. Defence Technology， 2024， 33： 518-531.
24	ZHANG G， YAN Y， WANG Q， et al. Adaptive step-size predictive PLL based rotor position estimation method for sensorless IPMSM drives ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2024， 39（5）： 6136-6147.
25	孙佃升，章跃进. 自抗扰控制和高频信号注入的内嵌式永磁同步电机无位置传感器控制［J］. 控制理论与应用， 2017， 34（4）： 508-514.
	SUN D S， ZHANG Y J. Sensorless control for interior permanent magnet synchronous motorbased on active disturbance rejection control and high frequency signal injection technique［J］. Control Theory & Applications， 2017， 34（4）： 508-514.
26	XU X， HUANG X， HU Q， et al. An improved rotor position estimation method for SPMSM with misaligned hall-effect sensor ［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2024， 10（1）： 735-743.
27	DU J， HE Y， YANG H. Sensor-less control based on SM-ADRC of PMLSM［C］. Proceedings of the 2021 IEEE 2nd China International Youth Conference on Electrical Engineering （CIYCEE）， 2021.

电机参数	数值	电机参数	数值
额定功率/ kW	3	磁极对数	4
峰值功率/kW	6	定子电阻/Ω	1.12
额定转矩/（N·m）	23	d轴电感/mH	12.52
额定电流/A	10	q轴电感/mH	23.37
额定转速/（r·min^-1）	1 500	永磁磁链/Wb	0.263
额定流量/（L·min^-1）	16	安全阀压力/MPa	18

电机转速/ （r·min^-1）	负载转矩/ （N·m）	PLL+PI/ （r·min^-1）	PLL+ADRC/ （r·min^-1）	本文方法/ （r·min^-1）
750	10-加载	90	26	26.5
	10-卸载	72	20	25.5
	25-加载	195	56.5	59
	25-卸载	170	49.5	70
1 500	10-加载	65.5	44	21.4
	10-卸载	55	27	24.5
	25-加载	185	147	52.8
	25-卸载	163	18	76.4

[1]	贺伯林,陈勇,代青林. 基于LADRC的纯电动汽车双离合变速器换挡控制[J]. 汽车工程, 2024, 46(9): 1668-1677.
[2]	张傲,李淑艳,高博麟,万科科,周光,曹通易. 基于云端地图的智能网联商用车质量估计算法研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(6): 1006-1014.
[3]	王国栋,王丽芳,吴艳,张俊智. 计及参数摄动的EMB电机改进型高阶线性自抗扰控制[J]. 汽车工程, 2024, 46(5): 923-934.
[4]	严运兵,岳铭浩,李海玮. 基于扩展卡尔曼滤波与机器视觉融合的道路侧向坡度估计[J]. 汽车工程, 2024, 46(4): 605-616.
[5]	王建平,马建,孟德安,赵轩,边琦,张凯,刘启全. 基于EMD-SDP图像特征和改进DenseNet车用PMSM故障诊断[J]. 汽车工程, 2024, 46(4): 703-716.
[6]	张念忠,宋强,王冠峰,王明生. 车用永磁同步电机无电流传感器控制研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 281-289.
[7]	张忠,吴晓建,江会华,张超,万宇康. 多源干扰下的智能车模型预测纵向运动抗干扰控制[J]. 汽车工程, 2024, 46(10): 1816-1828.
[8]	胡明辉,朱广曜,刘长贺,唐国峰. 考虑迟滞特性的卡尔曼滤波和门控循环单元神经网络的锂离子电池SOC联合估计[J]. 汽车工程, 2023, 45(9): 1688-1701.
[9]	吴志恒,刘爱民. 汽车永磁同步电机切换函数式混合控制策略[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 619-627.
[10]	王国栋,王丽芳,吴艳,张俊智. 基于单电流调节器的永磁同步电机深度弱磁控制及模式切换控制策略[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 219-230.
[11]	何智成,谢泽军,刘侃,周恩临,唐谦,黄元毅. 纯电动汽车传动系统-电机结构参数协同设计优化[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2113-2122.
[12]	张新荣,王鑫,宫新乐,黄晋,黄丹,王鹏兴. 面向智能车辆的路面附着系数分段识别方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1923-1932.
[13]	林程,徐垚,邢济垒,庄兴明,蒋雄威. 车用超高速永磁电机驱动控制技术综述[J]. 汽车工程, 2022, 44(7): 1049-1058.
[14]	孙金磊,邹鑫,顾浩天,崔凯,朱金大. 基于FFRLS-EKF联合算法的锂离子电池荷电状态估计方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 505-513.
[15]	关龙新,顾祖飞,张超,王爱春,彭晨若,江会华,吴晓建. 考虑系统复杂扰动的智能车模型预测路径跟踪控制[J]. 汽车工程, 2022, 44(12): 1844-1855.