High Precision Sensorless Control of Rotor Mechanical Position Based on Cross Correction of Dual Air Gap Information

Yukun Lin; Ronggang Ni*; Shengming Yang; Qingwen Deng

Qingdao University, Qingdao, China

Y. Lin, R. Ni, S. Yang and Q. Deng, "High Precision Sensorless Control of Rotor Mechanical Position Based on Cross Correction of Dual Air Gap Information," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 445-453, December 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00032.

摘 要

位置傳感器在機器人關節伺服系統中對于獲取機械位置是必不可少的，然而它們的安裝不可避免地占據了軸向空間并增加了系統的復雜性，這就限制了它們在緊湊機器人設計中的應用，在緊湊機器人設計中，空間約束和集成效率是至關重要的。無傳感器控制通過硬件簡化來降低機械和電路復雜性，但本質上僅估算電氣而非機械轉子位置信息，因此在機器人關節控制應用方面仍受到限制?；谥疤岢龅碾p間隙雙極復合電機（DDCM），本文系統地分析了機械位置估計誤差產生的原因，并提出了一種利用校正系數來減少這些誤差并提高估計精度的校正方法。此外，本文推導了所提出方案的適用性約束，證明其對電角位置誤差的要求并不嚴格，從而在傳統的無傳感器控制場景中具有廣泛的適用性。通過在0.75 kW原型上進行實驗，驗證了所提出方法的有效性。

Abstract

Position sensors are indispensable in robotic joint servo systems for acquiring mechanical positions, yet their installation inevitably occupies an axial space and increases system complexity, limiting their applicability in compact robot design where spatial constraints and integration efficiency are critical. Sensorless control reduces mechanical and circuit complexity through hardware simplification, but inherently estimates only the electrical instead of mechanical rotor position information, thus remaining constrained in robot joint control applications. Based on the previously proposed dual-gap dual-pole composite machine (DDCM), this paper systematically analyzes the causes of mechanical position estimation errors and proposes a correction method that utilizes a correction coefficient to reduce these errors and enhance estimation accuracy. Furthermore, this paper derives the applicability constraints of the proposed scheme, demonstrating that its requirements for electrical angle position errors are not stringent, thus enabling wide applicability in conventional sensorless control scenarios. The effectiveness of the proposed method is verified by conducting experiments on a 0.75 kW prototype.

圖1 不同拓撲結構的雙定子磁通調制電機（DDCM）。(a) 兩個氣隙均為永磁同步電機（PMSM）；(b) 外氣隙為永磁同步電機（PMSM），內氣隙為磁阻電機（RM）；(c) 外氣隙為磁阻電機（RM），內氣隙為永磁同步電機（PMSM）；(d) 兩個氣隙均為磁阻電機（RM）。

作者信息

林玉昆，出生于中國山東，他于2023年獲得青島大學電氣工程學士學位。他目前正在青島大學攻讀電氣工程碩士學位。他的研究興趣包括永磁同步電機中的無位置傳感器控制和電機驅動。

倪榮剛(Senior Member, IEEE)，分別于2010年、2012年和2017年獲得哈爾濱工業大學電氣工程學士、碩士和博士學位。2015年至2016年，他是丹麥奧爾堡大學能源技術系的訪問學者。2017年，他在上海STEP電氣公司工作。自2018年起，他在青島大學擔任教授。他目前是電氣工程學院的副院長。他的研究興趣包括設計用于高效和高功率密度應用的電機，以及使用較少傳感器的電驅動器。

楊圣明，出生于中國山東，分別于2021年和2024年獲得青島大學電氣工程學士和碩士學位。他的研究興趣包括永磁同步電機中的無位置傳感器控制。

鄧晴文，出生于中國湖南，2024 年，她從重慶郵電大學獲得智能電網信息工程學士學位。目前，她正在青島大學攻讀電氣工程碩士學位。她的研究興趣包括雙氣隙復合永磁電機以及基于氮化鎵的多相逆變器設計。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

中國電工技術學會

新媒體平臺

學會官方微信

電工技術學報

CES電氣

學會官方B站

CES TEMS

今日頭條號

學會科普微信

抖音號