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高性能永磁同步電機控制系統中，為了準確獲取轉速閉環和空間矢量脈沖調制所需要的轉子速度和位置信息，需要在電機轉子軸端安裝如增量式編碼器、光電式編碼器和旋轉變壓器等高精度的位置傳感器。高精度位置傳感器的引入可以保證電機較好的控制效果，但也造成系統的可靠性降低，控制成本增加等問題。

為解決此類問題，許多學者對高頻信號注入算法、龍伯格觀測器算法、反電動勢觀測算法和滑模觀測器算法等無傳感器算法進行了大量研究，由于無傳感器算法過度依賴電機本身，會造成低速運行不可靠，無法確定轉子位置估算的準確性等問題，因此，可考慮利用低成本的低分辨率開關型霍爾位置傳感器實現高精度轉子位置估計。

開關型霍爾位置傳感器在一個電周期內只能提供6個準確位置信息。有學者提出平均速度算法，根據霍爾信號將轉子一周分為6個霍爾扇區，以霍爾扇區的平均速度代替瞬時速度進行連續的轉子位置和轉速估算，但是電機轉速發生變化時，估算結果的準確性大大降低。

Scelba G.等在平均速度算法的基礎上引入轉子加速度，提出一階加速度算法，減小了電機加速減速時轉子位置估算誤差，但是平均速度算法和一階加速度算法作為兩種無模型算法，估算結果噪聲大且明顯滯后，難以滿足較高精度的控制要求。

有學者提出一種基于同步坐標系濾波法的轉子位置觀測方法，把經過分解的離散信號看作是真實信號和噪聲的疊加，經過低通濾波器得到期望的信號。由于濾波器參數確認相對復雜，并且當相鄰霍爾區間轉速發生較大變化時，濾波效果明顯降低。

有學者提出帶反饋解耦的位置矢量跟蹤觀測器，該觀測器把離散霍爾信號矢量通過離散快速傅里葉變換方式分解為無限多個旋轉矢量的疊加，可降低觀測器輸入的噪聲含量，提高觀測器性能。然而，如何選擇離散傅里葉展開式項數來對應不同的轉速是該方法應用的難點。

為減小系統運行狀態對位置估算的影響，Seung-Ki Sul等提出一種級聯觀測器。級聯觀測器由兩個結構類似的觀測器組成，初級觀測器的輸出作為次級觀測器的輸入，并且兩個觀測器均含有轉矩前饋，但是，級聯觀測器如果想要在較寬的頻率范圍內實現較好的觀測結果，需要對轉速環參數和觀測器參數進行協同設計。

江蘇科技大學電子信息學院、常熟瑞特電氣股份有限公司的研究人員提出一種新型轉子位置觀測算法。該算法包含兩個改進的算法模型：改進的一階加速度算法和改進的滑模觀測器算法。對傳統一階加速度算法進行改進，利用交軸電流估算轉子位置，并引入霍爾傳感器輸出的位置信號，對滑模觀測器估算的轉子位置進行分段線性校正，提出了一種基于霍爾傳感器和滑模觀測器算法的改進滑模觀測器算法，最后將經過一階改進加速度算法和改進的滑模觀測器算法計算的轉子位置和轉子速度進行加權平均，得到校正的估算轉子位置和速度。

圖4 新型轉子位置觀測算法結構框圖

在電機低速運行時，引入交軸電流進行加速度估算，根據估算加速度改進一階加速度算法，實現系統可靠起動。在電機中高速運行時根據轉子在單霍爾區間內的狀態調節滑模觀測器與改進的一階加速度算法權值，減小一階加速度算法滯后性與霍爾傳感器安裝誤差帶來的影響，完成轉子位置精確估算。通過離散位置信號對滑模觀測器估算結果進行加權校正，解決位置誤差累計問題。

研究者最后得出結論：

1）提出了一種轉子位置新型轉子位置觀測算法。根據轉子轉速將電機運行狀態分段。低速時，引入交軸電流進行轉子加速度估算，根據估算加速度改進一階加速度算法，改善起動轉子位置估算滯后問題。

中高速時，根據轉子在單霍爾區間內的狀態調節滑模觀測器與改進的一階加速度算法權值，減小一階加速度算法滯后性與霍爾傳感器安裝誤差帶來的影響。通過離散位置信號對滑模觀測器估算結果進行加權校正，解決位置誤差累計問題。

2）以一臺兼有2500線編碼器和霍爾位置傳感器的永磁同步電機為實驗對象，對基于本文觀測算法下的電機起動和穩態過程中的電機響應波形進行分析研究，考慮電機轉速大小突變對轉子位置估計的影響。

對比傳統一階加速度算法與滑模觀測算法獲得的響應波形，表明本文提出的永磁同步電機新型轉子位置觀測算法具有較高的綜合控制性能，轉子位置及轉速估算準確，能夠有效改善傳統一階加速度算法的滯后問題，同時能有效克服低速工況運行時滑模觀測器觀測不準確轉速突變導致的位置估計誤差增大問題。下一步將重點研究控制策略的工程化問題，以期實現其實際工程應用。

以上研究成果已發表在2019年第22期《電工技術學報》，論文標題為“基于霍爾傳感器的永磁同步電機高精度轉子位置觀測”，作者為張懿、張明明、魏海峰、李垣江、劉維亭。