劉芳璇,崔 晶 ,李益民,王桂榮

（1. 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動(dòng)力系, 陜西 西安 710014；2. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018）

基于自適應(yīng)模糊滑模的PMSM無(wú)速度傳感控制研究

劉芳璇1,崔 晶1,李益民1,王桂榮2

（1. 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動(dòng)力系, 陜西 西安 710014；2. 中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018）

為研究永磁同步電機(jī)（PMSM）在無(wú)速度傳感器工況下的速度跟蹤估計(jì)，以PMSM的工作原理為基礎(chǔ)，建立了內(nèi)埋式PMSM的數(shù)學(xué)模型。利用自適應(yīng)模糊微分積分滑模魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，提出了在自適應(yīng)模糊微分積分滑模控制條件下采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)的無(wú)速度傳感器控制方案，并分析了電機(jī)在高低速運(yùn)行時(shí)特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，采用高頻注入法的自適應(yīng)模糊微分積分滑模控制系統(tǒng)在高、低速工況下運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定可靠，并具有較好的魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)速度跟蹤估計(jì)。

永磁同步電機(jī)；自適應(yīng)模糊微分積分滑模控制；旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法；轉(zhuǎn)速估計(jì)；無(wú)速度傳感器

在現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)高精度，高動(dòng)態(tài)性能的速度和位置控制，一般都需用傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置和速度。傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器存在著安裝，連接和故障等問(wèn)題，大幅降低系統(tǒng)的可靠性及魯棒性，尤其是在高速、高精度控制中，更有結(jié)構(gòu)、價(jià)格等因素制約了其適用范圍。而永磁同步電機(jī)(PMSM)的無(wú)速度傳感器控制，不僅有效避免了采用機(jī)械式傳感器所帶來(lái)的缺陷，減少了電機(jī)的體積和成本，而且能夠準(zhǔn)確估計(jì)其轉(zhuǎn)子的速度和位置。在眾多型號(hào)的PMSM中，內(nèi)埋式PMSM因其功率因數(shù)高、功率密度高以及過(guò)載能力強(qiáng)而應(yīng)用廣泛，其無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)[1-3]。目前已經(jīng)提出了很多估計(jì)其轉(zhuǎn)速的方法，如文獻(xiàn)[4]提出的卡爾曼濾波器法，文獻(xiàn)[5-6]述及的模型參考自適應(yīng)法，以上兩種估算方法較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)計(jì)均比較困難。而旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法主要應(yīng)用于凸極率較大的內(nèi)埋式PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。雖然自檢測(cè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，提取轉(zhuǎn)子位置信息的算法對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，電機(jī)須具有較高的凸極率作為外部條件，但從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)講，采用高頻電壓注入法的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)系統(tǒng)自成一體，易于調(diào)試和實(shí)現(xiàn)，并兼具良好的抗干擾性和穩(wěn)定性。因而，旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法被廣泛應(yīng)用于無(wú)傳感器的PMSM矢量控制中[7]。

PMSM矢量控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)通常采用常規(guī)PI控制器，其抗干擾性和抗參數(shù)攝動(dòng)能力不夠理想，難以獲得滿意的動(dòng)態(tài)性能，而滑模控制器具有抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，以及魯棒性好等特點(diǎn)[8-9]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)模糊微分積分滑模控制器，將其作為速度閉環(huán)的控制器，同時(shí)基于旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法的無(wú)速度傳感技術(shù)對(duì)PMSM進(jìn)行矢量控制。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)快速，無(wú)超調(diào)，抗負(fù)載擾動(dòng)性能佳，魯棒性強(qiáng)。

1 自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

PMSM在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

1 )定子電壓方程：

2 )定子磁鏈方程：

對(duì)于內(nèi)埋式PMSM，有 Ld≠Lq。

3 )電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

將式(2)代得：

4 )力矩平衡方程:

選取積分滑模面為：

根據(jù)到達(dá)滑模面的廣義條件設(shè)計(jì)自適應(yīng)微分積分控制器及控制律分別如式（8）、式（9）所示：

定義Lyapunov函數(shù)為：

對(duì)控制變量u設(shè)計(jì)模糊控制器，得：

2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)內(nèi)埋式PMSM無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法結(jié)合自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂破鬟M(jìn)行仿真研究。無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用id=0矢量控制法，逆變器輸出電壓采用SVPWM調(diào)制技術(shù)，所選內(nèi)埋式PMSM參數(shù)見(jiàn)表1。選擇逆變器開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，采樣頻率為20 kHz，高頻電壓頻率為1 kHz，幅值為基波幅值的0.1倍。低通濾波器的通帶和阻帶截止頻率分別設(shè)定為1 Hz和10 Hz；帶通濾波器的通帶上、下限截止頻率分別為1100 Hz和900 Hz；帶阻濾波器的通帶上、下限截止頻率分別為1 980 Hz和 1 020 Hz。

圖1 無(wú)速度傳感器PMSM AFDI-SMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System of speed sensor-less AFDI-SMC

表1 PMSM參數(shù)表Tab1. Parameters of embedded PMSM

圖3為PMSM低速負(fù)載運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)特性。如圖3(a)所示，給定轉(zhuǎn)速為50 r/min，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為0 N·m，在0.3 s時(shí)突加1 N·m的負(fù)載，并在0.5 s時(shí)突卸該負(fù)載。轉(zhuǎn)速估計(jì)曲線在0.08 s時(shí)出現(xiàn)超調(diào)，后經(jīng)大約0.07 s恢復(fù)穩(wěn)定。圖3(b)為PMSM低速負(fù)載運(yùn)行時(shí)電角度估計(jì)圖?？芍琍MSM低速運(yùn)行時(shí)加、卸載性能佳，魯棒性強(qiáng)。

圖2 PMSM高速負(fù)載運(yùn)行響應(yīng)特性Fig.2 Estimated loaded response at high speed

圖3 PMSM低速負(fù)載運(yùn)行響應(yīng)特性Fig.3 Estimated loaded response at low speed

3 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊微分積分速度閉環(huán)滑?？刂破鳎⒉捎没谛D(zhuǎn)高頻電壓注入法的無(wú)速度傳感器技術(shù)對(duì)PMSM進(jìn)行矢量控制。由仿真結(jié)果知，PMSM滑?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)子響應(yīng)快速，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂破鲗?duì)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)、外部干擾等具有良好的自適應(yīng)性，不僅能夠保證PMSM調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，還可有效改善其魯棒性和抗干擾性能。

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Research on speed sensor-less PMSM with adaptive fuzzy sliding mode control

LIU Fang-xuan1, CUI Jing1, LI Yi-min1, WANG Gui-rong2
（ 1. Department of railway power traction, Xi ‘a(chǎn)n railway vocational and technical college, Xi’an 710014, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, China Metrology University, Hangzhou 310018，China）

Based on the principle of PMSM, a mathematical model of embedded PMSM was established for the study of speed tracking estimates of PMSM without speed sensor. The speed sensor-less control scheme, which adopted rotating high frequency voltage injection method to estimate the speed of the motor, was proposed with the robust advantage of adaptive fuzzy differential and integral sliding mode control (AFDI-SMC), and the working characters at both high and low speed were also analyzed. Simulative results illustrate that the control system is reliable in both occasions and capable of achieving better speed tracking control with good robustness.

Permanent Magnetic Synchronous Motor (PMSM); Adaptive fuzzy Differential and Integral Sliding Mode control (AFDI-SMC); rotating high frequency voltage injection method; speed estimation; speed sensor-less.

TN351

A

1674-6236(2014)14-0069-03

2014-04-14 稿件編號(hào)：201404150

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61203113）

劉芳璇(1988 —)，男，陜西西安人，碩士，助教。研究方向：電/液/氣伺服系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)、群智能算法等。