永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的專利分析

邱利莎 于娟

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有效率高、體積小、功率密度大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家用電器、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，針對(duì)永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制已經(jīng)成為電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體勵(lì)磁，依據(jù)反電動(dòng)勢(shì)的形狀不同，永磁電機(jī)可以分為梯形波反電動(dòng)勢(shì)和正弦波反電動(dòng)勢(shì)，這兩種類型分別對(duì)應(yīng)于無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。同時(shí)，永磁電機(jī)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，通常采用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，從而獲得較好的動(dòng)靜態(tài)性能，且永磁電機(jī)在進(jìn)行矢量控制時(shí)，需要檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置以實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制的解耦，而轉(zhuǎn)子位置可以通過(guò)位置傳感器或位置觀測(cè)算法獲得。其中，位置傳感器包括編碼器、霍爾器件、測(cè)速發(fā)電機(jī)等，但是傳感器存在體積大、成本高、引線多等缺點(diǎn)，會(huì)造成電機(jī)控制系統(tǒng)的整體性能下降［1］，而無(wú)位置傳感器檢測(cè)方式省去機(jī)械式傳感器，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的連接線路，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，已經(jīng)成為位置檢測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)?；诖?，本研究針對(duì)永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)方式的專利發(fā)展情況進(jìn)行分析，并對(duì)無(wú)位置檢測(cè)方式的專利技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 專利分析研究方法

截至2021 年8 月，在中國(guó)專利文獻(xiàn)CNABS/CNTXT 數(shù)據(jù)庫(kù)以及德溫特DWPI 數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到3 654 篇專利文獻(xiàn)，在檢索過(guò)程中所采用的涉及電機(jī)類型的關(guān)鍵詞包括永磁同步、直流無(wú)刷及其擴(kuò)展詞，涉及無(wú)位置檢測(cè)方法的關(guān)鍵詞包括高頻注入、脈沖注入、鎖相環(huán)、反向電動(dòng)勢(shì)、滑膜、卡爾曼觀測(cè)器、模型參考自適應(yīng)及其擴(kuò)展詞，涉及的IPC 分類號(hào)主要包括H02P6/16、H02P21/13 及其下位點(diǎn)組，涉及的CPC 分類號(hào)主要包括H02P6/182、H02P6/183、H02P6/185、H02P6/186、H02P6/187、H02P6/188?；跈z索獲取到的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析字段清理、標(biāo)引、篩選等處理，共得到1 848 篇用于專利分析。下面的統(tǒng)計(jì)分析正是基于以上篩選得到的文獻(xiàn)進(jìn)行的。

2 國(guó)內(nèi)外專利技術(shù)總體現(xiàn)狀

2.1 專利申請(qǐng)年度趨勢(shì)

專利申請(qǐng)量的變化趨勢(shì)可以從總體上反映某一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，圖1 為國(guó)內(nèi)外關(guān)于永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的專利申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)。其中考慮到發(fā)明專利存在18 個(gè)月的公開滯后期，以及2021 年尚未結(jié)束，2020 年和2021 年的專利申請(qǐng)量數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)不完全的現(xiàn)象。目前，從全球范圍數(shù)據(jù)來(lái)看，永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的累積申請(qǐng)量已達(dá)1 848 件，其在中國(guó)累積申請(qǐng)量達(dá)664 件，占全球總數(shù)的35.93%。通過(guò)圖1 對(duì)比國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量可以看出，2000年以前是永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的起步期，專利申請(qǐng)主要來(lái)自國(guó)外申請(qǐng)；2000—2013 年，國(guó)外專利申請(qǐng)緩慢增長(zhǎng)并趨于平穩(wěn)，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)持續(xù)平穩(wěn)增長(zhǎng)，進(jìn)入永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的平穩(wěn)發(fā)展期；2014—2018 年，國(guó)外專利申請(qǐng)先增加后趨于平穩(wěn)，國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)量出現(xiàn)激增現(xiàn)象，進(jìn)入永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展期，此階段國(guó)內(nèi)專利年申請(qǐng)量占全球申請(qǐng)量的比例從31.91%增長(zhǎng)到61.42%；2018 年以后國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量均出現(xiàn)回落，進(jìn)入永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展成熟期。

圖1 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)年度趨勢(shì)

2.2 專利申請(qǐng)地域分析

專利申請(qǐng)人的國(guó)別可以反映技術(shù)創(chuàng)新的來(lái)源地，圖2 為永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的專利申請(qǐng)人所在國(guó)的國(guó)別占比情況。由圖2 可知，中國(guó)的專利申請(qǐng)量最多，占全球總量的36%，這反映了自21 世紀(jì)以來(lái)中國(guó)永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)；其次是日本，專利申請(qǐng)量占全球總量的27%，這反映了日本的電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)在全球起到舉足輕重的作用；另外，美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)的申請(qǐng)量也相對(duì)較多，分別占全球總量的14%、9%、7%。

圖2 全球主要申請(qǐng)人所在國(guó)的國(guó)別占比

各國(guó)申請(qǐng)人在中國(guó)的申請(qǐng)量情況可以反映各國(guó)在中國(guó)的專利布局情況，圖3 為全球永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)各國(guó)申請(qǐng)人在中國(guó)的申請(qǐng)量占比情況。由圖3 可知，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人在我國(guó)提交的專利申請(qǐng)量所占的比重最大，其次是日本。與除中國(guó)外的其他各國(guó)相比，日本在中國(guó)提交的專利申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，達(dá)到7%，這與日本在汽車工業(yè)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)密不可分。實(shí)際上，汽車工業(yè)是永磁電機(jī)的最大應(yīng)用領(lǐng)域，日本發(fā)達(dá)的汽車工業(yè)決定了日本在永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)方面擁有更多的核心技術(shù)。除此之外，德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家在中國(guó)的專利申請(qǐng)量也占有一定比重。

圖3 全球各國(guó)申請(qǐng)人在中國(guó)的申請(qǐng)量占比

2.3 全球?qū)＠暾?qǐng)主要申請(qǐng)人分析

申請(qǐng)人分析可以了解某一領(lǐng)域里主要競(jìng)爭(zhēng)機(jī)構(gòu)或個(gè)人的競(jìng)爭(zhēng)力情況，圖4 為全球申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人以及相應(yīng)的申請(qǐng)量情況。與圖2 所示的主要申請(qǐng)人所在國(guó)的國(guó)別占比相對(duì)應(yīng)，由圖4 可知，國(guó)外排名靠前的申請(qǐng)人主要有日本的松下電器和日立、德國(guó)的博世集團(tuán)、韓國(guó)的三星電子和LG 電子，國(guó)內(nèi)排名靠前的申請(qǐng)人主要有高校，包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)，以及企業(yè)，包括美的集團(tuán)股份有限公司和江蘇美的清潔電器股份有限公司。

圖4 全球?qū)＠暾?qǐng)主要申請(qǐng)人

其中，在國(guó)外排名靠前的申請(qǐng)人中，日本的松下電器關(guān)于永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的專利申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，該公司不僅起步較早，而且產(chǎn)品覆蓋面廣，涵蓋了個(gè)人消費(fèi)產(chǎn)品（如照相機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)、吸塵器等）、商用產(chǎn)品（如自動(dòng)門、新風(fēng)機(jī)、換氣扇等）、制造業(yè)產(chǎn)品（如變頻螺桿機(jī)組等），并且很多產(chǎn)品都運(yùn)用了電機(jī)，這就涉及電機(jī)控制技術(shù)，而電機(jī)控制技術(shù)離不開位置檢測(cè)技術(shù)。在國(guó)內(nèi)排名靠前的申請(qǐng)人中，高校和企業(yè)不相上下，高校以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為例，該校電機(jī)與電器學(xué)科屬于國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，研究方向涉及極端環(huán)境用微特電機(jī)、電動(dòng)車電驅(qū)動(dòng)、特種電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制等，進(jìn)而涉及位置檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)電機(jī)控制技術(shù)；企業(yè)以美的集團(tuán)股份有限公司為例，該公司的業(yè)務(wù)不僅涉及家電領(lǐng)域，還涉及機(jī)電、暖通、機(jī)器人等領(lǐng)域，其中絕大部分領(lǐng)域均涉及包括位置檢測(cè)技術(shù)等的電機(jī)控制技術(shù)。

2.4 永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)的技術(shù)研究

由于位置傳感器具有成本較高、在惡劣的工作環(huán)境中易受到干擾、可靠性差等缺點(diǎn)，并且安裝位置傳感器會(huì)增加設(shè)備的體積和重量，因此通過(guò)無(wú)位置傳感器檢測(cè)方法來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置越來(lái)越受到關(guān)注?；谟来烹姍C(jī)磁體結(jié)構(gòu)的不同，以及電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的不同，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了多種無(wú)位置檢測(cè)方法，來(lái)解決凸極式永磁電機(jī)和表貼式永磁電機(jī)在高低速運(yùn)行狀態(tài)以及零速狀態(tài)下的位置檢測(cè)問題，主要包括高頻注入法、反電動(dòng)勢(shì)法、滑膜觀測(cè)器法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法等。為了解各種無(wú)位置檢測(cè)方法的專利申請(qǐng)情況，下面將從專利申請(qǐng)量和專利申請(qǐng)發(fā)展趨勢(shì)角度分析六種主要檢測(cè)方法的專利申請(qǐng)狀態(tài)，并詳細(xì)分析每種檢測(cè)方法的工作原理和適用環(huán)境，為今后的位置檢測(cè)專利申請(qǐng)?zhí)峁┭芯糠较蚝图夹g(shù)參考。表1 為各無(wú)位置檢測(cè)方法的文獻(xiàn)數(shù)量情況。

表1 永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)各技術(shù)方向的文獻(xiàn)量

通過(guò)對(duì)篩選出的1 848篇專利文獻(xiàn)進(jìn)行標(biāo)引和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)包括多種檢測(cè)方法，如反電動(dòng)勢(shì)法、高頻注入法、鎖相環(huán)法、脈沖注入法、電感法、滑膜觀測(cè)器法、智能算法、卡爾曼濾波法、模型參考自適應(yīng)法等，其中，基于反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)方法的申請(qǐng)量累計(jì)達(dá)到927 篇，在無(wú)位置檢測(cè)方法中專利申請(qǐng)量最多，其次是高頻注入法，申請(qǐng)量累計(jì)達(dá)到260 篇，在無(wú)位置檢測(cè)方法中同樣占有重要位置。

圖5 為永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)中各檢測(cè)方法的申請(qǐng)量占比情況，其中，反電動(dòng)勢(shì)法、高頻注入法、鎖相環(huán)法、脈沖注入法、電感法、滑膜觀測(cè)器法為主要的檢測(cè)方法，尤其是反電動(dòng)勢(shì)法，占無(wú)位置檢測(cè)方法的50%，高頻注入法占無(wú)位置檢測(cè)方法的14%。

圖5 各檢測(cè)方法的申請(qǐng)量占比

圖6 為六種主要無(wú)位置檢測(cè)方法的申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)折線圖，從申請(qǐng)量占比和發(fā)展趨勢(shì)可以看出，基于反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)方法出現(xiàn)于20 世紀(jì)70 年代，是最早出現(xiàn)的無(wú)位置檢測(cè)方法，同時(shí)，其申請(qǐng)量占無(wú)位置檢測(cè)方法的50%，也是目前申請(qǐng)量最大、應(yīng)用最為廣泛的一種無(wú)位置檢測(cè)方法，這主要在于該方法具有簡(jiǎn)單高效、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法，主要包括直接反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算、擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法、三次諧波反電動(dòng)勢(shì)法等，其中，直接反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化比較敏感；擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法將α軸和β軸上的電感的直流分量和交流分量解耦，將交流分量添加到繞組反電動(dòng)勢(shì)中形成擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)，并根據(jù)擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置，可以進(jìn)一步減小對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴；三次諧波反電動(dòng)勢(shì)法通過(guò)檢測(cè)和分析永磁電機(jī)的三次諧波反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置，具有相對(duì)較高的檢測(cè)精度［2］。但是，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法在電機(jī)零速以及低速時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子位置，通常適用于電機(jī)在中高速時(shí)的位置檢測(cè)。

高頻注入法可以估算出電機(jī)在零速以及低速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置，從專利申請(qǐng)量占比和折線圖可以看出，高頻注入法出現(xiàn)在反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法之后，早期主要用于解決反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)方法無(wú)法估算電機(jī)在零低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置的問題。進(jìn)入21 世紀(jì)后，高頻注入法得到快速發(fā)展，先后出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法、脈振高頻電壓信號(hào)注入法以及高頻電流信號(hào)注入法等。其中，旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法是在靜止坐標(biāo)系下注入旋轉(zhuǎn)電壓矢量，從負(fù)序響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置信息，估算過(guò)程不受電機(jī)參數(shù)變化的影響，但通常適用于凸極永磁電機(jī)的位置檢測(cè)中。脈振高頻電壓信號(hào)注入法是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下注入脈振電壓信號(hào)，在定子繞組中形成脈振磁勢(shì)，且磁勢(shì)的方向與直軸方向相同，使得直軸磁路始終保持飽和狀態(tài)，即使是表貼式永磁同步電機(jī)也可以表現(xiàn)出凸極特性，進(jìn)而可以從響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置信息，估算穩(wěn)態(tài)誤差受濾波器的影響較小，但動(dòng)態(tài)性能較差［3］。此外，高頻電流信號(hào)注入法只須注入小幅度的高頻電流即可得到較大的電壓響應(yīng)信號(hào)，但在實(shí)踐中較少應(yīng)用［4］。

鎖相環(huán)出現(xiàn)也較早，主要用于基于反電動(dòng)勢(shì)估算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，但早期反電動(dòng)勢(shì)的估算主要依賴于直接計(jì)算或構(gòu)建反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路，具有較大的諧波干擾，且計(jì)算效率不高，導(dǎo)致估算的轉(zhuǎn)子位置具有較大誤差。直到滑膜觀測(cè)器的出現(xiàn)，進(jìn)一步帶動(dòng)了鎖相環(huán)的發(fā)展，很多專利文獻(xiàn)將鎖相環(huán)與滑膜觀測(cè)器相結(jié)合來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置，先采用滑膜觀測(cè)器估算得到反電動(dòng)勢(shì)，再利用鎖相環(huán)從反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)中提取轉(zhuǎn)子位置，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估算［5］?；诨び^測(cè)器和鎖相環(huán)的位置檢測(cè)方法能夠快速跟蹤轉(zhuǎn)子位置變化，并能濾除高頻諧波和噪聲，有利于提高位置觀測(cè)精度，其中滑膜觀測(cè)器+鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置估算系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 滑膜觀測(cè)器+鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置估算系統(tǒng)

此外，脈沖注入法和電感法的申請(qǐng)量相對(duì)較少，主要用于檢測(cè)凸極式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置，脈沖注入法是向電機(jī)定子繞組中注入多個(gè)方向的電壓脈沖，最大響應(yīng)電流對(duì)應(yīng)的方向就是磁極N 極對(duì)應(yīng)的位置；電感法則是利用電機(jī)dq軸電感差異的原理，通過(guò)向定子繞組施加兩次線性無(wú)關(guān)的電壓矢量，測(cè)量電流瞬態(tài)響應(yīng)得到電感參數(shù)矩陣，進(jìn)而從電感參數(shù)矩陣中提取出轉(zhuǎn)子位置信息［2］。

3 結(jié)語(yǔ)

從永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)的專利申請(qǐng)情況來(lái)看，中國(guó)起步較晚，但是后期快速發(fā)展，直至在全球占有一席之地。截止到2021 年，在全球排名前十的申請(qǐng)人中，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)與國(guó)外申請(qǐng)平分秋色，這也印證了永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)在中國(guó)的迅猛發(fā)展之勢(shì)。結(jié)合永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)各項(xiàng)技術(shù)主題的申請(qǐng)量占比和申請(qǐng)趨勢(shì)可以看出，反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法由于具有簡(jiǎn)單高效、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)出現(xiàn)最早，并且應(yīng)用也最為廣泛，隨后高頻注入法由于具有可以估算零低速轉(zhuǎn)子位置的優(yōu)勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生，基于反電動(dòng)勢(shì)估算轉(zhuǎn)子位置的鎖相環(huán)法出現(xiàn)也較早，并且后期隨著滑膜觀測(cè)器的提出而得到進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用。目前，永磁電機(jī)無(wú)位置檢測(cè)技術(shù)各項(xiàng)技術(shù)主題百花齊放，為電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。