永磁同步電機滑模觀測器抖振抑制技術研究

黃召明 李精哲

摘 要：針對傳統位置傳感器安裝和更換困難的問題，采用無位置傳感器控制技術檢測轉子位置，實現了永磁同步電機的矢量控制。研究了傳統滑模觀測器存在的抖振問題，對滑模觀測器進行改進，利用飽和函數代替符號函數減弱了系統抖振。搭建了系統仿真模型，并仿真分析了改進方法的有效性和合理性。

關鍵詞：永磁同步電機;滑模觀測器;抖振;飽和函數

0 引言

永磁同步電機在數控機床、醫療衛生的傳動系統中有大量的應用，在電機矢量控制方法中，機械式傳感器用來檢測電機轉子位置，從而實現永磁同步電機的起動和準確調速。常用的機械式傳感器有編碼器、霍爾傳感器和旋轉變壓器等，但位置傳感器的安裝提高了成本，增加了系統重量，尤其在對重量和體積要求苛刻的環境中，傳感器的安裝和維修極為困難[1]。位置傳感器的控制優劣影響了電機的控制效果，且檢測精度與周圍環境有很大的影響，環境的變化會使轉子位置檢測不準確，并且，一旦出現故障，很難更換和維修[2]。因此，無位置傳感器的發展是電機控制的一個新方向，常見的無位置傳感器有多重方法，比如卡爾曼濾波、電機相電感、高頻信號注入、觀測器等?；Ｓ^測器是無位置傳感器控制中的一種，它在不使用機械式傳感器的前提下檢測到電機轉子位置，節省可空間，減小了成本。滑模觀測器的無位置實現方法具有很強的魯棒性，控制效果基本不受周圍環境的影響[3]，可應對復雜環境變化下的惡劣工況?；Ｓ^測器的基本原理是通過觀測器模擬電機兩相電流，使系統工作在滑模面，將高頻切換函數濾波后得到反電勢信號，而由反電勢計算電機轉子位置[4]。實際的電機控制過程中，滑模觀測算法中的符號函數會產生抖振，導致轉子位置估計精度下降，影響了永磁同步電機的調速性能，采用飽和函數代替符號函數可以抑制抖振，使轉子估計更加準確，提高運行可靠性。

1 永磁同步電機數學模型

永磁同步電機是一個多變量的非線性系統，采用坐標變換的方法可以將數學模型簡化，可將永磁同步電機近似等效為直流電機的模型。3s/2s變換將三相坐標系變換為兩相坐標系[5]，針對表貼式永磁同步電機，在靜止坐標系中搭建仿真模型更方便，因此在兩相靜止坐標系中搭建滑模觀測器以檢測電機轉子位置。Clark變換可表示為：

其中，為電機定子電感，為永磁體磁鏈，為電機電角度，為變換角度，為極對數，為電磁轉矩。

2 防抖振滑模觀測器

其中，和為經過切換函數后的高頻信號。當滑模觀測器中的高頻信號等于擴展反電動時，系統在電流誤差的滑模面上運動，處于穩定狀態。對開關信號進行低通濾波，可利用濾波后的結果計算轉子表達式：

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink中搭建了永磁同步電機矢量控制模型，采用滑模觀測器估計轉子位置，并對傳統的滑?？刂扑惴ㄟM行改進，減弱了系統的抖振，搭建的永磁同步電機矢量控制模型如圖2。

仿真模型中，電機為永磁同步電機，轉速給定與反饋之間產生誤差信號，經PI調解器后作為內環的電流給定。電流傳感器采集電機的定子三相電流，經過3s/2s變換及2s/2r變換后得到電流反饋值，電流給定與電流反饋作差后經PI調節器后得到交軸電壓，進而產生SVPWM波以控制電機。搭建的滑模觀測器仿真模型如圖3。

其中，滑模觀測器模塊用以得到兩相靜止坐標系下的反電勢，然后經濾波得到電機轉子位置。利用所搭建的仿真模型，分別進行常值切換函數和飽和函數的仿真，結果如圖4和圖5所示。圖中可知，與轉子的實際位置相比，滑模觀測器采用符號函數和飽和函數實現轉子位置估計時均會有一定的相移。和采用符號函數相比，飽和函數的轉子估計位置效果更好，波形更平滑，抖振更小。因此，在復雜工況下，采用飽和函數作為滑模觀測器的切換函數更能準確的估計轉子位置，電機控制效果更平穩。

4 結語

永磁同步電機的無位置傳感器控制技術省去了機械式傳感器，節省空間的同時減小了系統的體積和重量?；Ｓ^測器作為一種強魯棒性的控制方法，可通過電機的電壓和電流參數實現轉子位置的估計。飽和函數的采用抑制了滑模觀測器的抖動，使得到的轉子位置更平滑，具有一定的工程使用價值。

參考文獻：

[1]孫潔，崔巍，范洪偉等.基于滑模觀測器的永磁同步電機無傳感器矢量控制[J].電機與控制應用，2011，38（01）：38-42.

[2]吳春華，陳國呈，孫承波.基于滑模觀測器的無傳感器永磁同步電機矢量控制系統[J].電工電能新技術，2006，25（02）：1-3.

[3]祝曉輝，李穎暉.基于擾動滑模觀測器的永磁同步電機矢量控制[J].電機與控制學報，2007，11（05）：456-461.

[4]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（08）：36-41.

[5]陸婋泉，林鶴云，馮奕等.永磁同步電機無傳感器控制的軟開關滑模觀測器[J].電工技術學報，2015，30（02）：106-113.