基于改進的滑模觀測器永磁同步電動機轉速估計

郭 巍，李光軍

(北京航空航天大學，北京 100191)

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基于改進的滑模觀測器永磁同步電動機轉速估計

郭 巍，李光軍

(北京航空航天大學，北京 100191)

傳統滑模觀測器因滑模固有抖振會使電機速度與轉子位置估計存在誤差，為了準確估計永磁同步電動機轉子位置與速度，提出了一種帶鎖相環的滑模觀測器，將鎖相環和滑模觀測器結合起來估計轉速，這種方法能夠有效抑制滑模觀測器抖動現象。仿真表明采用鎖相環跟蹤轉子速度與位置有效地提高了估計精度，實驗證明了所提方法的正確性和可行性。

永磁同步電動機；滑模觀測器；無位置傳感器；鎖相環

0 引 言

近年來無位置傳感器檢測方法得到廣泛的應用，國內外提出的永磁同步電動機無位置傳感器檢測方法主要有模型參考自適應法、擴展卡爾曼濾波器、高頻信號注入法、滑模觀測器等方法[1-2]。文獻[3]采用模型參考自適應法，能夠有效估計轉子位置，其準確性依賴于模型參數。文獻[4]設計了擴展卡爾曼濾波器實現永磁同步電動機控制，擴展卡爾曼濾波模型復雜，增加了方案實現難度。文獻[5]基于高頻信號注入法檢測轉子位置實現低速階段電機控制。文獻[6]提出一種高速滑模觀測器從電機反電勢中提取轉子位置和速度信息。滑模觀測器具有響應速度快、魯棒性強、易于工程實現等優點。但傳統滑模觀測器存在抖動現象，直接影響觀測精度。本文采用鎖相環和滑模觀測器相結合的方法估計轉子位置與轉速，通過檢測電機的電壓和電流信號，利用鎖相環估算轉子位置和轉速信息，削弱了固有抖振的影響，達到了理想的效果。

1 常規滑模觀測器

根據表貼式永磁同步電動機在靜止α-β下電壓方程:

(1)

由式(1)可得表貼式永磁同步電動機在靜止α-β坐標下狀態方程：

(2)

式中：eα，eβ為反電勢；ωr為電機角速度；φf為永磁體產生的磁鏈；θr為電機角位置；iα，iβ為定子電流；uα，uβ為定子電壓；RS為定子電阻；LS為定子電感。可知轉子位置：

(3)

構建滑模觀測器：

(4)

(5)

(6)

滿足上式的K的取值范圍：

(7)

當系統到達滑模切換面以后，等效控制理論可知滑模切換面滿足：

(8)

(9)

ωc為低通濾波器截止頻率。低通濾波器會產生相位延遲，需要對相位進行補償。補償角度：

(10)

補償后的轉子位置：

(11)

補償后的轉子角速度：

ω=dθ/dt

(12)

由于滑模自身的結構使得反電勢估計值存在高頻抖動，通過式(11)、式(12)估計出來的位置和轉速信息存在誤差，為了解決這一問題，通過滑模觀測器與鎖相技術相結合，從估計的反電勢中提取轉速信息，減小了傳統滑模觀測器因抖振現象產生的誤差。

2 帶鎖相環的滑模觀測器

鎖相環系統一般由鑒相器(PD)、壓控振蕩器(LPF)、環路濾波器組成(VCO)，通過輸出與給定信號的相位差來控制輸出信號頻率[8]。采用鎖相環的方法能夠增加控制系統的魯棒性，避免估計量受外界干擾的影響[11]。鎖相環系統框圖如圖1所示。

圖1 鎖相環結構框圖

鎖相環結構框圖中，實際轉子位置與估計轉子位置差值相當于鎖相環的鑒相器環節，Δe經過比例積分環節得到轉速，相當于鎖相環的環路濾波器，轉速經過積分得到轉子位置過程相當于鎖相環結構中的壓控振蕩器，通過鎖相環觀測出轉子位置和轉速，當某一時刻，估算的轉子位置偏小，經過鑒相器環節后Δθ誤差變大，Δθ經過環路濾波器和壓控振蕩器估算后輸出變大，進而使轉速增大，最終使得估計轉子位置和實際接近[9]。

圖2 轉子位置速度跟蹤框圖

(13)

(14)

而轉子角度可以通過積分獲得：

(15)

3 計算機仿真

為了驗證理論的準確性，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型。電機的極對數2對，額定功率為7.5kW，額定轉速1 500r/min，額定電壓220V，轉速給定800r/min。采用滑模觀測器輸出的速度和位置作為反饋，圖3為實際轉速和觀測轉速。可以看出估計的轉速有明顯的高頻抖動成分。

為了改善或削弱高頻抖動，采用鎖相環和滑模結合對轉速估計，圖4為800r/min時實際角速度與帶有鎖相環的滑模觀測器估計角速度，帶有鎖相環的滑模觀測器估算出的角速度更加平滑，波動更小。

圖5為兩種方法轉速誤差對比，圖5(a)為傳統滑模觀測轉速誤差，可以看到有較大波動，采用鎖相滑模觀測后，轉速誤差圖為5(b)所示，帶有鎖相環的滑模觀測轉速更加平滑、穩定。

圖3 800r/min時實際轉速和觀測轉速

圖4 800r/min時實際轉速和鎖相環觀測轉速

(a)傳統滑模觀測轉速誤差(b)鎖相滑模觀測轉速誤差

圖5 傳統滑模觀測轉速、鎖相滑模觀測轉速誤差圖

滑模觀測轉子位置，由于其高頻抖動成分，使得實際轉子位置與估計轉子位置有誤差。圖6(a)為800r/min時實際轉子位置與估計轉子位置，從圖6(b)可以看出估計的轉子位置有一定偏差。

(a)傳統滑模觀測轉子位置(b)轉子位置誤差圖

圖6 800r/min時實際、滑模觀測轉子位置及位置誤差圖

采用鎖相環后的轉子位置觀測如圖7(a)所示，帶有鎖相環的轉子位置估計能夠很好地跟蹤實際位置，從圖7(b)可以看出轉子位置誤差很小，波動平緩。

(a)鎖相滑模觀測轉子位置(b)轉子位置誤差圖

圖7 800r/min時實際、帶鎖相環估計轉子位置及位置誤差圖

4 實驗研究

根據永磁同步電動機控制系統，用TM320F28335DSP作為主控制芯片，搭建了實驗系統，實驗平臺如圖8所示，實驗電機參數如表1所示。

圖8 控制系統實驗平臺

參數數值參數數值額定功率P/kW7.5額定轉矩T/(N·m)48額定轉速n/(r·min-1)1500定子電阻R/Ω0.104額定電壓u/V220繞組電感L/mH0.77額定電流i/A32轉矩系數T/(N·m·A-1)1.5額定頻率f/Hz200轉動慣量J/(kg·m2)0.0095極對數p2電機重量m/kg40

圖9(a)、圖9(b)是在中速600r/min時，傳統滑模觀測器估計轉子位置和帶有鎖相環的滑模觀測器估計轉子位置圖。從圖9(a)可以看出，傳統滑模觀測估計轉子位置有較大高頻抖動，估計不準確，圖9(b)帶有鎖相環的滑模觀測波形平滑，抖動明顯減弱，達到理想的效果。

(a)n=600r/min傳統滑模觀測(b)n=600r/min鎖相滑模觀測

圖9 傳統滑模觀測器、鎖相滑模觀測器分別估計轉子位置波形

轉子速度從反電勢信號中提取出來，避免直接用反正切、積分運算抖動帶來的影響。圖10(a)給出從500r/min升到800r/min時滑模估測轉速和實際轉速，可以看出由于抖振，滑模觀測有一定波動。圖10(b)為采用鎖相環時，從500r/min升到800r/min時估測速度與實際速度，估測速度平穩、波動小。

(a)傳統滑模觀測(b)鎖相滑模觀測

圖10 傳統滑模觀測器、鎖相滑模觀測器分別估計轉速波形

5 結 語

本文通過建立永磁同步電動機數學模型，在傳統滑模觀測器的基礎上，采用鎖相環方法從反電勢中提取轉子位置和速度信息，通過仿真和實驗對該方法做了詳細的驗證。結果表明，帶有鎖相環的滑模觀測器減小了系統的抖振，所涉及的鎖相環能夠有效提高觀測精度；采用鎖相環對轉子位置和速度估算更加準確，具有穩定性、可行性。

[1] WANG Y H,ZHANG X Z,YUAN X F.Position-sensorless hybrid sliding-mode control of electric vehicles with brushless DC motor[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(2):421-432.

[2] 周永勤,崔延光,王旭東,等.永磁同步電機無位置傳感器模糊滑模觀測技術[J].哈爾濱工程大學學報,2013,34(6):728-733.

[3] 王慶龍,張興,張崇巍.永磁同步電機矢量控制雙滑模模型參考自適應系統轉速辨識[J].中國電機工程學報,2014,34(6):897-902.

[4] KUNG Y S,HIEU N T.Simulink/modelsim co-simulation of EKF-based sensorless PMSM drives.IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems(PEDS),2013:709-713.

[5] 王子輝,陸凱元,葉云岳.基于改進的脈沖電壓注入永磁同步電機轉子初始位置檢測方法[J].中國電機工程學報,2011,31(6):95-101.

[6] KIM H,SON J,LEE J.A high-speed sliding-mode observer for the sensorless speed control of a PMSM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(9):4069-4077.

[7] FOOG,RAHMANMF.Sensorless sliding mode MTPA control of an IPM synchronous motor drive using a sliding mode observer and HF signal injection[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(4):1270-1278．

[8] 張細致,王耀南,楊民生.永磁同步電機無位置傳感器雙滑模魯棒控制[J].電機與控制學報,2008,12(6):696-700.

[9] 張曉光,孫力,陳小龍,等.基于二階滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器控制[J].電力自動化設備,2013,33(8):36-40.

[10] 李冉,龍雪濤,陳輝.基于鎖相環的永磁同步電機無傳感器控制[J].電氣傳動,2013,43(8):8-12.

[11] 劉家曦,李鐵才,楊貴杰.永磁同步電機轉子位置與速度預估[J].電機與控制學報,2009,13(5):690-694.

Speed Estimation of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Improved Sliding Mode Observer

GuoWei,LIGuang-jun

(Beihang University,Beijing 100191,China)

The traditional sliding mode observer estimated motor speed and rotor position exist errors for its buffeting.In order to accurately estimate the rotor position and motor speed, a sliding mode observer with phase-locked loop was proposed.The phase-locked loop and the sliding mode observer were combined to estimate motor speed can effectively restrain dithering phenomenon.Simulation shows that using phase-locked loop to track motor speed and rotor position can effectively improve the estimation precision.The experiments show the validity and feasibility of the method.

permanent magnet synchronous motors(PMSM); sliding-mode observer; position sensorless; phase-locked loop

2016-04-11

TM351

A

1004-7018(2016)09-0089-03

郭巍(1992-)，男，碩士研究生。