基于滑模觀測器的永磁同步電機無速度傳感器控制

中車株洲電機有限公司 馬文斌 周永欣

基于滑模觀測器的永磁同步電機無速度傳感器控制

中車株洲電機有限公司 馬文斌 周永欣

永磁同步電機因其具有高功率、高轉矩密度、高效率以及寬調速范圍等特點，使其在工業伺服、新能源汽車等領域得到越來越廣泛的應用。為實現對永磁同步電機控制，需要使用光電編碼器等速度傳感器來獲得電機轉子準確位置。而使用速度傳感器將提高系統的成本，同時降低系統可靠性。本文在分析永磁同步電機數學模型上，構建同步電機轉子觀測器實現了對永磁同步電機的無速度傳感器矢量控制

永磁同步電機；無速度傳感器；矢量控制

1.引言

永磁同步電動機（PMSM）具有高效率和高功率因數、高啟動轉矩，高功率密度比等優點[1]。因此，隨著高性能稀土永磁材料釹鐵硼在同步電機中得到推廣和普及，永磁同步電機性能得到大幅提升，使得其在鐵路牽引、工業伺服乃至新能源汽車驅動領域都得到了越來越廣泛的應用[2]。然而，傳統永磁同步電機中使用的光電編碼器、旋轉變壓器等機械式速度傳感器使得電機制造工藝變得復雜，同時顯著提升了永磁同步電機制造及維護難度。機械式速度傳感器同時也限制了電機的微型化、降低了系統可靠程度。因此，永磁同步電機的無速度傳感器控制研究成為了國內外工程技術人員的研究熱點[3]。無速度傳感器控制是通過觀測電機轉動過程中電流、反電動勢等物理量估算出電機轉子的準確位置來替代機械式速度傳感器。目前無速度傳感器控制主要有兩種技術路線：1）內埋式永磁同步電機空間凸極效應觀測；2）狀態觀測器法，通過電機轉動時對反電動勢等參數的估測獲得電機轉子的位置信息，觀測器法主要有擴展卡爾曼濾波器、龍貝格觀測器等基于電機模型的位置觀測法。本文研究過程中采用了具有良好的魯棒性及快速性的滑模觀測器方法，在未增加硬件的前提下，在低速階段通過恒壓頻比將同步電機啟動后，觸發滑模觀測器獲得轉子位置信息，實現對永磁同步電機的無傳感器矢量控制。

2.滑模觀測器構建

2.1 永磁同步電機滑模觀測器設計

在電機αβ坐標系下永磁同步電機數學模型如方程（1）所示，電機反電動勢方程如方程（2）所示：

公式中iα；iβ和Vα；Vβ和eα；eβ是電機αβ坐標系下電流、電壓以及反電動勢分量，R和L則為電機的定子電阻和電感。

公式中：k為電機反電動勢常數，為電機轉速，為轉子位置角。

在永磁同步電機數學模型基礎上，構建滑動模式觀測器基本結構如圖1所示：

圖1 滑模觀測器基本結構

αβ坐標系下永磁同步電機滑模觀測器基本結構數學方程如下：

式中系數k為滑模增益。

運轉電機中的反電動勢可以通過公式（4）中參數Z進行低通濾波后得到，如公式（5）所示，公式中f0為一階低通濾波器的截止頻率。

得到電機運行狀態下反電動勢估測值電機轉子位置可以通過公式 計算得到：

至此電機運行狀態下電機轉子位置信息可以計算得出。

2.2 滑模觀測法仿真研究

基于滑模觀測器的永磁同步電機無速度傳感器控制系統結構如圖2所示。

圖2 永磁同步電機無傳感器控制系統圖

圖2 所示控制系統框圖中使用了滑模觀測器驅動傳統機械式速度傳感器獲取永磁同步電機轉子位置與電機運行速度。使用MATLAB軟件SIMULINK模塊對滑模傳感器進行仿真驗證，所使用的額定功率2.2kW的永磁同步電機參數如下：

表 仿真驗證用電機參數

Simulink模塊仿真永磁同步電機轉子位置波形如圖3所示。圖3中可見滑模觀測器構成的無速度傳感器控制系統性能較好。

3.實驗平臺搭建

如圖4所示永磁同步電機無速度傳感器控制系統由德州儀器TMS320F28335型DSP為主控核，該DSP具有哈佛總線結構，150MHz主頻，UART、CAN等功能，適用于電機控制系統。DSP完成永磁同步電機的矢量控制運算及無速度傳感器算法運算，同時DSP通過CAN、RS232及RS485等接口完成與上位機及其他控制設備的通信。IGBT驅動核選擇了PI公司2SD106，2SD106驅動內核具備檢測igbt集電極發射極電壓Vcesat從而實現短路保護、過流保護等功能，功率器件選用英飛凌公司FS100R12KE3型IGBT模塊，硬件電路同時具備直流母線電壓采樣、電機三相電流隔離采樣等。