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基于滑模观测器与滑模控制器的永磁同步电机无位置传感器控制

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资料介绍

针对无位置传感器永磁同步电机控制系统中转子位置与转速无法直接测量的问题,提出基于滑模观测器的转子位置间接检测方法.通过研究低速时滑模观测器的估算误差较大的特点,分析无位置传感器控制方式下电机存在无法零速起动的问题,利用变压变频控制策略进行他控起动.依据滑模观测器的电流跟随特性和滑模控制器的转速跟随特性,同时引入时变项,在提高滑模面收敛速度的基础上实现了调速系统由他控方式向自控方式的平滑过渡.仿真和实验证明,提出的算法不仅解决了滑模观测器在零速及附近的低速范围内所存在的预测死区问题,而且削弱了两种控制方式切换过程中产生的抖振.

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2016年6

月

V01．31

Jun．

No．12

2016

电工技术学报

第31卷第12期TRANSACTIONSOFCHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

基于滑模观测器与滑模控制器的

永磁同步电机无位置传感器控制

陈思溢1 皮佑国

广州 510640

510640)

(1．华南理工大学自主系统与网络控制教育部重点实验室

2．华南理工大学自动化科学与工程学院广州

摘要针对无位置传感器永磁同步电机控制系统中转子位置与转速无法直接测量的问题，提

出基于滑模观测器的转子位置间接检测方法。通过研究低速时滑模观测器的估算误差较大的特点，

分析无位置传感器控制方式下电机存在无法零速起动的问题，利用变压变频控制策略进行他控起

动。依据滑模观测器的电流跟随特性和滑模控制器的转速跟随特性，同时引入时变项，在提高滑

模面收敛速度的基础上实现了调速系统由他控方式向自控方式的平滑过渡。仿真和实验证明，提

出的算法不仅解决了滑模观测器在零速及附近的低速范围内所存在的预测死区问题，而且削弱了

两种控制方式切换过程中产生的抖振。

关键词：永磁同步电机无位置传感器滑模观测器滑模控制器变压变频控制

中图分类号：TP273

for

Position Sensorless Control

Permanent

Motor

Magnet Synchronous

Basedon _SlidingMode Observer and _SlidingMode Controller

Chen_SiyilPi

Yougu02

ofAutonomous

and NetworkControl

ofEducation

(1．KeyLaboratory

Systems

Ministry

South China

5 1 0640 China

University

Technology Guangzhou

2．School ofAutomation Scienceand

South China

Engineering

University ofTechnology

5 1 0640 China)

Guangzhou

Abstract In this

for the

scheme of sensorless detection based

mode observer is

sliding

paper，a

sensorless control

permanent

synchronous motor(PMSM)

proposed

position

system

sliding

magnet

the estimation errors existed in

mode observer at low

lead to

speed ^that

By analyzing

starting

failure under sensorless control _strategy，amethod for PMSM_runningwith constant

volt／hertz(V／F)is

the

of current and motor

proposed．Considering

following performance

speed ⁱⁿ^sliding^{mode observer}

item is introduced．It can

mode

(SMO)and sliding

controller(SMC)respectively，a time—varying

the

from

V／F method to self-controlled method in

control

speed

achieve

smooth transition

constant

also can

improve

the

rate of the

mode surface．Simulations and

solve the dead—zone of SMOat

only

system，and

experiments

convergence

control

sliding

demonstrate that the

cannot

proposed

strategy

and low

also reduce the

in the between the two

switching process

standstill

speed，but

chattering

control methods．

mode

observer，

Keywords：Permanent magnet synchronous motor，position sensorless，sliding

and variable control

_slidingmode

controller,variable

voltage

frequency

收稿日期2014-05．22 改稿日期2015-04-13

万方数据

第31卷第12期

陈思溢等

109

基于滑模观测器与滑模控制器的永磁同步电机无位置传感器控制

在电流观测值等于实际值后，利用滑模控制器的转

速跟随特性，实现调速系统由他控模式向自控模式

的平滑过渡。本文内容安排如下：首先讨论永磁同

引言

永磁同步电机(Permanent

Magnet Synchronous

Motor，PMSM)因其良好的控制性能而得到越来越

广泛的应用。PMSM依靠转子位置信号实现转子与

定子旋转磁场之间的同步。无位置传感器控制技术

步电机无位置传感器控制系统的系统结构和对象模

型；然后提出基于滑模观测器的转子位置与转速的

估算方法，以及基于滑模控制器的控制方式切换方

采用预测方法获得转子位置，因具有成本低、硬件

复杂程度小以及可靠性高的特点而引起了广泛的重

视，逐渐成为PMSM研究领域内的热点问题[1。111。

研究内容以转子位置的获取为核心而展开，文

法，并利用Lyapunov稳定性理论对其可行性进行论

证；最后给出了仿真分析及原型实验。实验结果证

明，本文提出的控制策略具有较高的综合控制性能。

PMSM无位置传感器系统结构及对象

献[1．4]提出的模型参考自适应系统(Model

Reference

模型

Adaptive System，MRAS)法基于稳定性理

论对永磁同步电机进行转速辨识，状态和速度的渐

1．1

系统结构

近收敛性由Lyapunov方程和Popov超稳定性理论

保证。文献[4]针对永磁无刷直流电机的凸极效应构

建转子反电动势自适应的定子电流观测器，进而估

PMSM无位置传感器控制系统框图如图1所示。

算出电磁转矩。文献[6．8]通过将滑模观测器技术引

入到无位置传感器控制策略中，并分别采用模糊控

制方法、分段线性模型和径向基神经网络模型改善

滑模观测器的性能。上述方法利用电机的定子电压

和电流来计算电机转子的位置，在电机达到满足计

算要求的定子电压和电流的速度后均能较好预测永

磁同步电机的转子位置而实现电机的无位置传感器

控制，但在低速或零速下定子电压和电流通常难以

满足预测计算的要求，因而不适合低速或者零速。

换言之，上述方法必须解决电机的起动问题后才可

以投入应用。

图1 永磁同步电机无位置传感器控制系统框图

Block

position

sensorless control

system

Fig．1

diagram

motor

permanent magnet synchronous

图1中，控制系统主要由滑模控制器(Sliding

文献[9．11]提出了高频注入的方法，利用电机转

子的凸极效应，通过向定子绕组注入三相对称高频

旋转电压，检测定子电流来估算转子位置，从而实

现无位置传感器控制方式下永磁同步电机的起动。

该方法虽然可以应用于较宽的速度范围且低速时也

可获得较好的估算结果，但是高频信号的注入会带

来高频噪声，增加了系统中的干扰源，可能会造成

系统运行过程的不稳定。因此，合理实现无位置传

Mode

Controller，SMC)、滑模观测器(Sliding

Controlled

Observer，SMO)、他控模块(Separately

Module．SCM)、切换规则、电流调节器(Automatic

Current

Regulator，ACR)、Park变换器、Clarke变换

器、Park逆变换器(Ipark)、SVPWM模块、智能功

Power

Module，IPM)和永磁同

率模块(Intelligent

步电机等环节组成。其中，SCM用于实现电机的零

速起动；SMO采集定子电压和电流信号并估算转子

位置与转速；SMC则是在两种控制方式下的输出电

流误差趋近于零时，实现系统由他控方式向自控方

式的平滑过渡。

感器永磁同步电机的起动技术，已成为现今亟待解

决的问题。

本文采用他控起动和自控运行策略，即在转子

定位以后，给电机定子一个旋转磁场使电机起动，

起动后滑模观测器不断对电机的电流和转速进行观

测，待电机起动到其电流、电压满足预测计算时再

切换到自控方式运行。本文利用滑模观测器的电流

1．2

电机数学模型

PMSM在两相静止0【B坐标系下的定子电压方

程_；}l【12，13]

跟随特性，使得观测电流趋近于实际电流值。针对

调速系统中电流相比于转速变化速率较快的特性，

c· ，

[：；]=[舌兰][耄]+p[吉兰][耄]+[象]

万方数据

110

2016年6月

电工技术学报

式中，“。、“p为0【p坐标系下的定子电压；‘、审为up

坐标系下的定子电流；愿为定子电阻；L为定子电

感：P为微分算子；瓯、岛为ap坐标系下的反电动

势，并在变压变频控制模式下被进一步描述为

由此可将反电动势观测值磊、岛进一步描述为

I绵=颤。

)

像篇sgn(％sl，；

式中，ks。为滑模切换增益；sgn(· )为符号函数。

合并式(1)与式(6)，得到系统关于电流观测

误差的动态估计偏差方程为

0]E=4．44Ⅳs‰ ‰ I-cos目0j]／i(2)

阱一co叫s

式中，Us为定子每相绕组串联匝数；尼Ⅳs为定子基

波绕组系数；0m为每极气隙磁通量；石为定子频率；

∥为反电动势与其0【轴分量之间的夹角。

电磁转矩平衡方程为

p[言兰][詈；]=一[孕羞][嚣]+

4．44N。‰ Gfl

cos0一ks。sgn(s。)1

(3)

‰ =Jg_b+Bm09+TL

4．44Nsku。#mf

sin臼一起。sgn(Sl=1)I

(10)

式中，∞、面分别为电机转速及其一阶导数；J为

转动惯量；B。为摩擦系数；瓦为负载转矩；I。为

电磁转矩。

根据由式(9)计算得出的估算反电动势信息，

即可得出转子位置角度0的表达式为

通过采用／a=0的磁场定向控制策略，电磁转矩

平衡方程可简化为

臼：一arctanl肇1

(11)

l绵J

、

2．2可达-陛证明

一争∞

+孚f

q一专五

为证明系统能由任意初始状态在有限时间内到

达滑模面，定义Lyapunov函数为

式中，Cm为电机在额定磁通下的转矩系数。控制器

的设计目的是找寻合适的控制律，使系统输出国快速

y：三s2

(12)

跟随给定输入国+。定义速度误差eeo(f)=国(f)一∞+(f)，

对其求导得

式中，s=[％sp]1。对式(12)求导，得

T。,+

吃(，)一B，m e。(，)一孚荆+了1

．s(4．44NskNsGfl—ks。sgn(s))

∥^．；=SS=——=————————————————————————————=

(5)

鱼缈+(f)+∥(tlr

＼，

、，

)

：!：竺塾生垄五!二垦!倒 !!：!!丝垒垄五二垦!)上!

2滑模观测器设计

(13)

2．1观测器设计

令ks。 4．44Nskm‰ max(f,)，则恒有矿 0。

依据永磁同步电机在两相静止C【D坐标系下的

定子电压方程，构造滑模观测器为‘14]

因此，根据Lyapunov稳定性理论，对于电流误

差方程(式(10))，选取积分滑模面(式(8))，并

设计控制律(式(9))，可使电流误差在有限时间内

收敛到零。

阱[＆阱涨|(6)

3滑模控制器设计

式中，乇、名与磊、岛分别为定子电流和反电动势

的观测值。定义观测误差为

滑模变结构控制系统的运动轨迹由两部分组

成：运动轨迹远离滑模面的趋近运动和运动轨迹位

于滑模面附近的滑模运动。滑模控制器的设计分为

滑模面的选择和控制律的设计两步。

j‰ 刮n一'

(7)

【唧2审一书

则针对滑模观测器系统，设计积分型切换函数

无位置传感器PMSM调速过程主要分为三个

步骤：他控起动、自控运行以及由他控方式向自控

方式的切换。其中，由他控方式向自控方式的切换

过程对应于滑模控制中的趋近运动，而自控运行则

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万方数据

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