永磁同步電動機無傳感器滑模觀測運行

宋承霖，王慶賢，劉泉寶

(1.蘭州交通大學，蘭州 730070；2.中國石油四川石化有限公司，成都 611930)

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永磁同步電動機無傳感器滑模觀測運行

宋承霖1，王慶賢1，劉泉寶2

(1.蘭州交通大學，蘭州 730070；2.中國石油四川石化有限公司，成都 611930)

針對永磁同步電動機的無傳感器運行，優化直接轉矩系統的控制性能，同時，利用非奇異終端滑動模態觀測器替代傳統的滑動模態觀測器，改進了原有的滑模觀測方法。在引入非奇異終端理論與滑動模態相結合的觀測理論控制系統中，通過估算反電動勢來推算出轉子的速度和位置，使系統達到無傳感器控制的目的。仿真和實驗表明，新型滑模觀測運行系統能夠獲得更高的估算精度和更好的動態指標。

永磁同步電動機；直接轉矩控制；非奇異終端滑模；滑模觀測器；TMS320F2812 DSP

0 引 言

永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)，與電勵磁同步電動機進行比較，其結構簡單，效率高，轉矩/慣量比大，體積小，散熱好，維修方便，已成為在高性能系統研究的重點。特別是這幾年隨著各項理論的發展，對電動機控制系統新的研究和應用得到了普遍的重視。目前，常用的DTC技術存在較多缺點，如電流脈動大、磁鏈的抗干擾能力弱以及轉矩波動強烈等。因此，在PMSM系統調速范圍更寬的情況下，仍需努力提高魯棒性和精確性[1-6]。

在研究DTC系統過程中，普遍使用附帶位置和轉速傳感器的方式，以便取得更高的控制性能。但是，這種方式既增加了系統的體積與成本，同時又增加了系統的重量和復雜程度，這樣就會使系統的可靠性在某些應用場合受到影響。近年來，將無傳感器控制理論應用在永磁同步電機控制中，學者們對此進行了大量的研究，并發現相比于其他的方法，使用滑模觀測器控制更為方便簡單，且魯棒性能更好，但滑模理論中仍然存在“抖振”的缺點。

基于開關表的傳統方法電流脈動大，不利于電動機的無傳感器運行，為避免該問題，本研究引入了空間電壓矢量替代開關表。同時控制電動機，電動機的轉子需要獲得可靠的信息，但是使用傳感器帶來許多問題，限制了對系統的使用。無傳感器技術的應用，有效地解決了使用PMSM的問題，簡化了硬件結構，降低資金成本，提高了系統可靠性，實現了DTC系統無傳感器運行。在本文中，使用滑模觀測器的方法，系統能夠實現無傳感器控制。同傳統的方法相比，非奇異終端滑模觀測削弱了傳統方法的抖動，提高了系統估計的準確度和轉矩的響應速度。

1 PMSM滑模觀測器的直接轉距控制

1.1 PMSM模型

永磁同步電機的狀態方程表示：

(1)

式中：定子電流的d,q軸分量分別為id，iq；電機定子電阻為Rs；線圈電感的系數為L；電機的極對數為p；ω為電機轉子機械角速度；定子電壓的d,q軸分量為ud,uq；ψfm為永磁體磁鏈的幅值；系統慣量為式子中的J；B為電機粘性摩擦因數；電機的負載轉矩為TL；θ為機械轉角。

將式(1)變形：

(2)

PMSM的數學模型由d-q坐標系下轉化為α-β坐標系下，如(3)式所示：

(3)

式中:定子電流的α,β軸分量是iα,iβ；定子電壓的α,β軸分量是uα,uβ；eα,eβ分別為定子反電動勢的α,β軸分量。

電磁轉矩：

(4)

1.2 滑模觀測器的直接轉距控制

基于新型滑模觀測器的控制系統如圖1所示,該系統通過實時觀察和測試，得到的電磁轉矩和定子磁通誤差，生成預期電壓矢量作為SVPWM的控制輸入來實現轉矩與磁鏈的控制，同時，通過新型的觀測方法對電機轉速的實時觀測實現了無傳感器運行。

圖1 基于非奇異終端滑模觀測器的PMSM控制系統

圖2 磁鏈矢量圖

與傳統的直接轉矩控制系統相比，新型的控制方式可以使逆變器的開關頻率保持不變，又可以通過實時轉矩與磁鏈誤差得到恰當的電壓矢量，使得系統的電壓矢量可以選擇的范圍擴大了。這從根本上克服了傳統方法只使用8個基本電壓矢量選擇其一而無法區分誤差程度的問題，因而解決了轉矩與磁鏈的脈動問題。

2 非奇異滑模觀測器的研究與設計

研究PMSM模型時，通常使用自適應或滑模全階觀測器來估計狀態變量，同時必須存在一個模型方程與轉子速度相關，這將決定觀測精度。當速度估計值誤差較大時，磁鏈觀測器產生連鎖效應，系統的整體性能惡化。雙非奇異終端滑模面定義：

(5)

選擇趨近律的滑模控制律的設計指標，使系統具有良好的動態品質，在正常運行階段，該系統可以有效地降低滑模開關抖動。故控制律設計如下：

(6)

(7)

式中:

(8)

(9)

采用式(6)控制律時，有：

(10)

由以上推導的觀測器得出的反電動勢，可以計算出轉子的電角速度，由于新的方法不需要采用低通濾波器，相位滯后不存在有問題的角度，定子磁鏈估計的轉子角度可通過電動角代入式(10)計算。

3 系統仿真及實驗

3.1 系統仿真

通過實驗驗證理論設計的可行性，現對搭建好的控制系統進行仿真。電機參數如下:p=1.1 kW,nN=1 500 r/min,IN=3.5 A,UN=220 V,Rs=2.875 Ω,ψf=0.175 Wb,Ls=8.5 mH,p=4,J=8×10-3kg·m-2,B=0,逆變器開關頻率為10 kHz，非奇異終端滑模觀測器參數選取如下：γ=0.001,p=7,q=5,η1=17 000,η2=400。

圖3～圖6為轉速由 400 r/min上升到500 r/min的仿真結果。通過仿真實驗可以得出,在人為給定的系統干擾和轉速下，算法具有動態自適應性。圖3為電流的估計值和實際值仿真曲線圖，如圖所示電流的估計值完全覆蓋實際值，從而可以說明新型觀測器對電流具有良好的估算能力。圖4為由切換函數 z 經濾波后獲得的反電動勢曲線，圖5中上半部分是由反電動勢獲得的估計轉子位置角與由電機輸出的實際位置角的比較圖，從圖中可以看出與采用機械式光電編碼器的控制方法相比，非奇異終端滑模觀測器無速度傳感器算法的使用，特別是使用濾波器濾波算法會讓系統反應遲緩，通常這也是實現無速度控制的不足之處。圖6為由非奇異終端滑模觀測器所估算的轉子位置角與實際的電機轉子位置角的差值。

(a)A相電流(b)B相電流

圖3 估計電流與實際電流仿真曲線圖

(a)α軸反電動勢估計波形(b)β軸反電動勢估計波形

圖4 反電動勢曲線圖

(a)位置角(b)轉速

圖5 仿真曲線比較圖

圖6 轉子位置角差值圖

3.2 實驗

依照圖7的結構建立系統，使用TMS320-F2812DSP芯片搭建平臺，進行實驗，永磁同步電機為1 100W， 在實驗中轉速由給定的 400r/min上升到500r/min，由此過程來驗證在轉速突變情況下系統的控制性能。實驗結果如圖8～圖9所示。由此可見，系統對PMSM的轉速和負載變化具有良好的適應性，有充足的動態調整時間，使得估計速度能夠穩定地跟蹤實際速度，該方法被證明是有效的。

圖7 實驗平臺示意圖

圖8 實驗轉速波形圖9 實驗電流波形

4 結 語

本文通過對PMSM無速度傳感器運行進行了分析和研究，提出了DTC與非奇異終端滑模觀測理論相結合的新方法。仿真和實驗的結果說明，本文所提方法具有較高的控制精度、魯棒性和快速的動態響應，實現了PMSM的無傳感器滑模觀測運行。

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[4] 張猛，肖曦，李永東．基于擴展卡爾曼濾波器的永磁同步電機轉速和磁鏈觀測器[J]．中國電機工程學報，2007，27(36):36-40．

[5]WENShao-jing,WANGFeng-xiang．SensorlessdirecttorquecontrolofhighspeedPMSMbasedonvariablestructureslidingmode[C]//ElectricalMachinesandSystems，ICEMS.IEEE,2008:995-998．

[6] 周揚忠,胡育文.交流電動機直接轉矩控制[M].北京：機械工業出版社，2009.

[7] 克里斯南.永磁無刷電機及其驅動技術[M].柴鳳，裴宇龍，于艷君，等譯.北京：機械工業出版社，2012.

[8]BOSEB.現代電力電子學與交流傳動[M].北京：機械工業出版社，2013.

Sensorless Sliding Mode Observation Operation of Permanent Magnet Synchronous Motor

SONGCheng-lin1,WANGQing-xian1,LIUQuan-bao2

(1.Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070，China;2.PetroChina Sichuan Petrochemical Co., Ltd.,Chengdu 610031,China)

The direct torque control (DTC) method was optimized for the sensorless operation of permanent magnet synchronous motor (PMSM). Meanwhile, the non-singular terminal sliding mode observer was taken instead of the traditional sliding mode observer, improving the original sliding mode observer. In the control system combing the non-singular terminal with sliding mode observer, the back EMF was estimated to calculate the rotor's speed and position, thus making the system achieve the goal of sensorless control. Simulation and experimental results show that the control system with new sliding mode observer can achieve higher estimation accuracy and better dynamic performance.

permanent magnet synchronous motor(PMSM)；direct torque control；nonsingular terminal sliding；sliding mode observer；TMS320F2812 DSP

2015-05-06

TM351

A

1004-7018(2016)06-0059-04

宋承霖(1989-)，男，碩士研究生，研究方向永磁同步牽引電機的理論及其控制技術。