在电机控制领域，零速力矩保持（Zero-Speed Torque Control）是实现高精度位置控制、抗扰动负载的关键能力。无论是无感矢量控制（Sensorless FOC）还是方波驱动（Six-Step Commutation），在零速或极低速下维持稳定力矩均面临巨大挑战：此时反电动势趋近于零，传统的位置观测方法失效，且电流闭环易受噪声干扰。本文从原理、算法及实现层面，深度解析两种技术实现零速力矩保持的核心方法。

一、零速力矩保持的核心挑战

1. 位置观测失效
• 无感FOC依赖反电动势（BEMF）或磁链观测器估算转子位置，但在零速时BEMF幅值为零，传统滑模观测器（SMO）或锁相环（PLL）无法正常工作。
• 方波驱动通常依赖霍尔传感器或BEMF过零检测换相，但在零速下BEMF消失，换相信号丢失。
2. 电流闭环稳定性问题
• 零速时电机处于静止状态，电流环需输出恒定力矩以抵抗负载扰动。但此时逆变器非线性效应（死区时间、管压降）和采样噪声显著放大，导致电流波动。
3. 热损耗与效率
• 长时间零速力矩保持需持续输出电流，可能导致绕组过热，需在控制中平衡力矩精度与温升。

二、无感FOC的零速力矩保持方案

1.高频信号注入法

• 原理
  ：向电机定子注入高频电压（如1-2kHz正弦波或方波），通过检测电流响应中的高频分量，解析转子位置。
• 实现步骤：

• 在d轴注入高频电压信号（如 Vhfsin⁡(ωhft)Vhfsin(ωhft)）。
• 通过带通滤波器提取q轴电流中的高频响应分量 iqhiqh。
• 利用同步解调技术提取位置误差信号，构建位置观测器（如Luenberger观测器）。
• 优势
  ：可在零速下精确估算位置，支持静默启动。
• 局限
  ：高频噪声可能引起可闻噪音，且需额外滤波算法，增加计算负担。

2.磁饱和效应法

• 原理：利用电机铁芯磁饱和特性，通过施加短时脉冲电压，检测电流上升斜率差异判断转子位置。

• 实现步骤：

• 向不同方向施加短时电压脉冲（如6个基本矢量方向）。
• 测量各方向脉冲下的电流斜率，斜率最大的方向对应转子磁极位置。
• 优势
  ：无需持续高频注入，适用于间歇性零速保持场景。
• 局限
  ：脉冲注入可能引起力矩抖动，需动态调整脉冲宽度以降低影响。

3.改进型观测器设计

• 扩展卡尔曼滤波（EKF）：将电机模型非线性化，实时更新状态估计，适应零速工况。

• 自适应滑模观测器（ASMO）：引入参数自适应机制，补偿电阻、电感变化对观测的影响。

• 融合观测器：结合高频注入与模型观测，低速时依赖高频信号，高速时切换至BEMF观测。

4.电流闭环增强策略

• 死区补偿：通过前馈补偿或在线辨识，消除逆变器死区导致的电压误差。

• 扰动观测器（DOB）：将负载扰动视为外部干扰，通过观测器实时补偿电流环给定值。

• 模糊PID控制：根据误差动态调整PID参数，抑制零速下的电流振荡。

三、方波驱动的零速力矩保持方案

1.强制换相与电流闭环

• 原理：
•      在零速时放弃传统六步换相逻辑，改为固定相位导通，通过电流闭环控制输出力矩。
• 实现步骤：

• 检测到零速需求后，锁定当前换相状态（如固定导通两相）。
• 通过PI调节器控制相电流，维持目标力矩。
• 优势： 无需复杂算法，硬件成本低。

• 局限：固定导通导致局部发热，效率较低，且可能引起位置偏移。

2.低频脉振注入法

• 原理：
•      在方波驱动中叠加低频脉振电压，通过电流响应判断转子位置。
• 实现步骤：

• 在导通相施加周期性电压脉振（如50-100Hz）。
• 分析电流脉动幅值与相位，估算转子静止角度。
• 优势：
•    兼容传统方波驱动架构。
• 局限：
•   力矩输出存在周期性波动，需优化脉振频率与幅值。

3.混合控制策略

• FOC-方波切换：
•    零速时切换至FOC模式实现力矩保持，高速时切回方波驱动以降低开关损耗。
• 示例方案：

• 启动阶段采用高频注入FOC锁定转子位置。
• 零速保持时运行FOC电流闭环。
• 检测到速度上升后切换至方波换相模式。

四、性能对比与适用场景

五、未来发展方向

1. AI驱动的参数自整定：
2.    利用机器学习动态优化高频注入参数与观测器增益。
3. 宽禁带器件应用：
4.    GaN/SiC器件提升开关频率，降低高频注入损耗。
5. 多物理场融合观测：
6.    结合振动、温度信号辅助位置估算。

结语

     零速力矩保持是电机控制领域的“圣杯”问题，无感FOC与方波驱动需通过算法创新与硬件优化协同突破。随着边缘计算与功率电子技术的进步，零速静默运行与高精度力矩控制将成为下一代驱动系统的标配能力。