電機無速度傳感器控制技術在包裝生產線中的應用

何瑞

電機無速度傳感器控制技術在包裝生產線中的應用

何瑞

（黃河水利職業技術學院，河南 開封 475003）

為提高自動化包裝生產線的產品效率和質量，簡化傳動系統結構，改善永磁同步電機控制系統性能。提出一種基于滑模觀測器的無速度傳感器控制技術，建立永磁同步電機數學模型。在此基礎上，設計一種滑模自適應觀測器，可用于觀測定子電流和轉子磁鏈，同時給出一種I/F啟動策略。通過仿真和實驗對系統性能進行驗證。仿真和實驗結果表明，所述控制方法不僅可以解決電機啟動問題，而且采用滑模觀測器能夠較好地實現轉速跟蹤，進而確保轉子位置準確性。在實際應用中，可將橫封橫切機構的切點偏差控制在0.4 mm以內，平均偏差只有0.2 mm。無速度傳感器控制系統具有響應速度快、調速性能好、魯棒性強等特點，可以確保電機速度、位置控制精度，進而降低整個控制系統的冗余性、不穩定性，適合包裝、仿真、印刷等場合使用。

永磁同步電機；無速度傳感器控制；滑模觀測器；包裝；生產線

隨著“中國制造2025”、“工業4.0”不斷布局推廣，中國制造業日趨智能化、信息化、綠色化，這就要求印刷、紡織、包裝、現代物流等領域所用設備盡快過渡到自動化、電子化。為實現此目標，各類電機的使用、普及不可避免。以包裝機械為例，其傳動機構已由復雜齒輪、鏈條傳動轉變為電機直接驅動各軸、各軸之間同步運動。永磁同步電機具有可靠性高、體積小、轉矩大等諸多優點，故其在包裝生產線、包裝機械中的應用十分廣泛。永磁同步電機性能的穩定性將直接決定產品質量和企業生產效率，但是在實際生產過程中，一些速度控制、位置控制所需傳感器存在精度低、易損壞等問題，一旦出現問題就會降低生產線效率甚至導致設備停機[1-4]。綜上所述，永磁同步電機的無速度傳感器控制策略研究具有一定價值和意義。目前，智能控制理論在電機控制領域的應用越來越普遍，例如滑模控制。與常規控制方法不同，滑模控制可隨時間不斷變化，可使系統當前狀態量按照設定軌跡運行到期望位置，此時外部干擾就不會再起作用。總體來說，滑模控制具有魯棒性強、動態性能好、響應速度快等特點[5-7]。滑模觀測器根據電機電流建立觀測器狀態方程，以電流觀測誤差作為滑模面，通過觀測反電動勢獲取轉子位置和速度，但是滑模觀測器存在一個問題，即低速時，電機反電動勢較小，觀測誤差較大[8-10]。

為解決此問題，文中設計一種電流閉環啟動策略，可先將電機從靜止狀態拉升到一定轉速，然后利用滑模觀測器估算電機轉速和轉子位置，最后切換到無速度傳感器控制。通過仿真和實驗驗證所述方法的有效性。

1 電機數學模型

2 滑模自適應觀測器

2.1 滑模觀測器設計

根據控制原理，滑模面可選擇：

滑模函數則可以定義為：

綜合式（1、2、3）可以計算出定子電流和轉子磁鏈的觀測方程，即：

根據式（1—4），狀態變量誤差方程可描述為：

為確保狀態變量可在滑模面移動且能夠保持穩定[14]，就必須有一個足夠大的滑模增益使式（5）滿足條件：

2.2 轉速自適應估計

一旦誤差軌跡到達滑模面，定子電流觀測值會收斂到實際值，即存在：

此時可認為轉子磁鏈觀測值等于實際值，那么式（5）所示誤差方程可描述為：

根據波波夫積分不等式，可以得到不等式：

為提高轉速估計系統的響應速度，可在其中引入比例積分環節，那么自適應系統可描述為：

結合上述推導過程，再根據式（4）和式（11）可以得到滑模自適應速度觀測器結構，見圖1。

圖1 滑模自適應速度觀測器結構

圖2 電機啟動策略

3 仿真和實驗分析

3.1 仿真研究

為驗證所述滑模觀測器的可行性和有效性，文中在Matlab/Simulink中搭建了相關模型并進行了仿真研究。電機參數見表1。

仿真結果見圖3和圖4，其中圖3為轉速仿真波形，圖4為估計轉速和實際轉速之間誤差波形。可以看出：IF啟動策略可使電機加速至20 r/min；在0.7 s左右實現控制策略切換。仿真過程中，在1 s時，電機轉速設定為30 r/min；在2 s時，電機轉速設定為40 r/min；在3 s時，電機轉速設定為50 r/min。仿真結果表明：電機在啟動和加速階段，轉速估計偏差會稍微大一些，但仍在可接受范圍內；當轉速穩定后，轉速估計值可以很好地跟蹤轉速實際值，二者之間偏差非常小。

表1 電機參數

Tab.1 Motor parameters

圖3 轉速仿真波形

圖4 轉速誤差波形

進一步地，當電機轉速為50 r/min時，突然添加或卸載1 N·m的負載，仿真結果見圖5—7。其中圖5為電磁轉矩波形，圖6為實際轉速和估計轉速波形。從仿真結果可以看出，突加負載時，電機轉速大約減小10 r/min，約耗時0.1 s就可以恢復到50 r/min；突然卸掉負載后，電機轉速大約增加10 r/min，同樣大約耗時0.1 s就可以穩定到50 r/min。在負載變化過程中，所述滑模觀測器可以較好地實現對實際轉速的估計、跟蹤。

圖5 電磁轉矩波形

圖6 實際轉速和估計轉速波形

上述仿真結果表明：對于永磁同步電機，所述控制方法不僅可以解決電機啟動問題，而且采用滑模觀測器能夠較好地實現轉速跟蹤，進而確保轉子位置準確性。整個無速度傳感器控制系統具有響應速度快、調速性能好、魯棒性強等特點，適合包裝、仿真、印刷等場合使用。

3.2 實驗分析

為進一步驗證滑模觀測器的有效性，將所述電機控制技術移植到包裝生產線常用設備——三伺服枕式包裝機并應用到橫封橫切機構。設定電機轉速為100 r/min，此時橫封橫切機構勻速運轉；首先，包裝膜上標記一系列切點位置；然后，在確保包裝機其他機構穩定運行的前提下，測量橫封橫切機構切點位置的準確性。作為對比，在相同條件下進行重復實驗，對照組不采用所述電機控制技術。實驗結果見表2。

從實驗結果可以看出：如果不采用所述電機控制技術，切點偏差絕對值的最大值為1.6 mm，平均值約為1.2 mm；采用文中所述電機控制技術，切點偏差絕對值的最大值為0.4 mm，平均值約為0.2 mm。通過對比可以發現，電機無速度傳感器控制技術可以提高電機控制精度，進而提高包裝機械橫封橫切機構的切點準確性，對提升包裝生產線自動化水平具有一定意義。

表2 實驗結果

Tab.2 Experimental results

4 結語

以包裝生產線常用永磁同步電機為研究對象，為降低整個系統的冗余性、提高系統穩定性，文中設計了一種無速度傳感器控制技術同時提出了一種I/F啟動策略。仿真和實驗結果表明：所述滑模觀測器具有較好的跟蹤性能，可以確保電機速度、位置控制精度，適用于包裝、紡織、印刷等場合。文中僅驗證了所述方法的有效性，下一步可從實際應用方面展開研究。

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Application of Motor Speed Sensorless Control Technology in Packaging Production Line

HE Rui

(Yellow River Conservancy Technical Institute, Henan Kaifeng 475003, China)

The work aims to improve the efficiency and quality of automatic packaging production line, simplify the structure of transmission system and improve the performance of permanent magnet synchronous motor control system. A sensorless control technology based on sliding mode observer was proposed. The mathematical model of permanent magnet synchronous motor was established. On this basis, a sliding mode adaptive observer was designed to measure the stator current and rotor flux. At the same time, an I/F starting strategy was presented. The performance of the system was verified by simulation and experiment. The simulation and experimental results showed that the control method cannot only solve the motor starting problem, but also realize the speed tracking through the sliding mode observer, thus ensuring the accuracy of the rotor position. In practical application, the cutting point deviation of the transversal sealing and crosscutting mechanism can be controlled within 0.4 mm, and the average deviation was 0.2 mm. Speed sensorless control system has the characteristics of fast response speed, good speed regulation performance, strong robustness, etc., which can ensure the speed of the motor, position control precision and then reduce the redundancy and instability of the whole control system. It is suitable for packaging, simulation, printing and other occasions.

permanent magnet synchronous motor; speed sensorless control; sliding mode observer; packing; production line

TB486

A

1001-3563(2022)07-0233-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.030

2021-06-01

河南省教育廳項目（2019SJGLX691）

何瑞（1969—），女，碩士，黃河水利職業技術學院副教授，主要研究方向為電氣自動化技術。

責任編輯：曾鈺嬋