張志偉， 張?zhí)煲?/p>

永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的無(wú)速度傳感器研究

張志偉， 張?zhí)煲?/p>

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

為了提高永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，提出一種無(wú)速度傳感器方法，用于速度辨識(shí)。將滑模(SM)變結(jié)構(gòu)控制與模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)方法相結(jié)合，選取電機(jī)本體作為參考模型，利用逆變器輸出的電壓和電流，構(gòu)建基于磁鏈方程的可調(diào)模型，利用兩模型誤差運(yùn)用SM變結(jié)構(gòu)方法辨識(shí)速度。在Matlab仿真平臺(tái)對(duì)無(wú)速度傳感器方法進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明:所提出的無(wú)速度傳感器方法具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的準(zhǔn)確辨識(shí)。

永磁同步電機(jī)； 滑模變結(jié)構(gòu)； 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)； 無(wú)速度傳感器

0 引 言

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)控制的目的，工業(yè)的控制系統(tǒng)一般會(huì)安裝速度傳感器，這會(huì)使永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的性能依賴于速度傳感器。一旦速度傳感器故障或者速度傳感器傳出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)失準(zhǔn)，就會(huì)導(dǎo)致控制失敗。同時(shí)，速度傳感器也會(huì)增加系統(tǒng)的成本，影響系統(tǒng)的可靠性。從這個(gè)角度來(lái)看，轉(zhuǎn)子速度信號(hào)利用控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)將成為降低永磁同步電機(jī)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)有效的后備解決方案。事實(shí)上，利用控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子速度檢測(cè)的方法，即無(wú)速度傳感器控制法，已經(jīng)成為重要的研究方向[1，2]。

目前無(wú)速度傳感器控制方法主要有：基于反電動(dòng)勢(shì)算法、高頻注入法、擴(kuò)展卡爾曼濾波器法、滑模(SM)觀測(cè)器法、模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)法等控制方法[3～7]。在諸多無(wú)速度傳感器控制技術(shù)中，MRAS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量低等優(yōu)點(diǎn)，成為一種常用的無(wú)速度傳感器控制方法[8]。傳統(tǒng)MRAS方法存在PI控制器調(diào)節(jié)困難問(wèn)題，并且受系統(tǒng)參數(shù)變化及工作情況變化影響難以達(dá)到最佳性能。

本文在傳統(tǒng)MRAS控制方法的基礎(chǔ)上將SM變結(jié)構(gòu)控制與MRAS相結(jié)合，提出了一種基于SM-MRAS速度觀測(cè)器的無(wú)速度傳感器控制策略。該無(wú)速度傳感器技術(shù)通過(guò)SM-MRAS轉(zhuǎn)速觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度準(zhǔn)確估計(jì)，省去了速度傳感器環(huán)節(jié)。最后在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)無(wú)速度傳感器控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果表明所提出的無(wú)速度傳感器控制策略的有效性。

1 無(wú)速度傳感器方法的工作原理

無(wú)速度傳感器控制策略一般基于矢量控制實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器控制。永磁同步電機(jī)矢量控制方法主要有：id=0控制,功率因數(shù)cosφ=1控制,最大轉(zhuǎn)矩電流比控制等。這些矢量控制方法中，id=0控制方法簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，不存在由于電樞反應(yīng)對(duì)永磁同步電機(jī)的去磁問(wèn)題，被較為廣泛使用。因此，本文采用id=0矢量控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。

基于id=0矢量控制的無(wú)速度傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由六部分組成：1)速度和電流控制器；2)坐標(biāo)變換模塊；3)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊；4)逆變器單元；5)SM-MRAS速度觀測(cè)器；6)永磁同步電機(jī)(PMSM)。

圖1 無(wú)速度傳感器控制框圖

控制器的功能是根據(jù)反饋的速度和電流信號(hào)計(jì)算出給定的電壓信號(hào)；坐標(biāo)變換模塊的功能是利用坐標(biāo)變換理論實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化控制過(guò)程；SVPWM模塊的功能是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行情況計(jì)算出逆變器的開(kāi)通和關(guān)斷信號(hào)；逆變器單元的功能是根據(jù)SVPWM模塊提供的開(kāi)關(guān)信號(hào)，正確開(kāi)通和關(guān)斷逆變器中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，輸出電機(jī)需要的三相正弦電壓。SM-MRAS速度觀測(cè)器的功能是根據(jù)定子電流和定子電壓計(jì)算出速度信號(hào)，反饋給控制器。

2 基于SM-MRAS的無(wú)速度傳感器方法設(shè)計(jì)

2.1 基于MRAS的無(wú)速度傳感器方法

MRAS法是將系統(tǒng)模型作為參考模型，結(jié)合辨識(shí)速度與系統(tǒng)模型關(guān)系構(gòu)建可調(diào)模型，然后將兩模型的輸出的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI控制器反饋到可調(diào)模型中，從可調(diào)模型得到辨識(shí)的速度信號(hào)，基于MRAS的速度觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于MRAS的速度觀測(cè)器框圖

圖2中參考模型為

(1)

式中ψd,ψq為d,q軸的磁鏈分量；Rs為定子電阻；Ls為定子電感；ωe為轉(zhuǎn)子角速度；ud和uq為d,q軸的電壓分量；ψf為永磁體磁鏈；p為微分符號(hào)。

根據(jù)式(1)中的磁鏈方程，可調(diào)模型為

(2)

根據(jù)Popov穩(wěn)定性理論，基于磁鏈可調(diào)模型的傳統(tǒng)MRAS控制策略得到的轉(zhuǎn)子角速度為

(3)

式中kp和ki為正系數(shù)。

2.2 基于SM-MRAS的無(wú)速度傳感器方法

基于單一MRAS控制方法的速度觀測(cè)器采用PI控制器調(diào)節(jié)獲得速度，PI參數(shù)較難調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，定參數(shù)的PI控制器難以到達(dá)最佳性能。SM變結(jié)構(gòu)控制有很強(qiáng)的魯棒性，受系統(tǒng)參數(shù)變化影響小。本文提出SM-MRAS速度觀測(cè)器，采用SM變結(jié)構(gòu)控制方法代替PI控制，使速度觀測(cè)器設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，魯棒性更強(qiáng)，基于SM-MRAS的速度觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 基于SM-MRAS的速度觀測(cè)器框圖

SM變結(jié)構(gòu)控制是通過(guò)高頻切換控制刻意地改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而將系統(tǒng)狀態(tài)限制在SM面上。根據(jù)這一原則，設(shè)計(jì)SM面s為

(4)

則滑模面s的導(dǎo)數(shù)為

(5)

采用常值切換控制閥，估計(jì)速度為

(6)

式中 M為正常數(shù)，sign為符號(hào)函數(shù)。

將式(6)代入到式(5)可得

(7)

當(dāng)M取足夠大值時(shí)，一定可以使SM面滿足Lyapunov穩(wěn)定性條件，即滿足下式條件

(8)

(9)

從式(9)可以看出，當(dāng)電機(jī)估計(jì)磁鏈與實(shí)際磁鏈相等時(shí)，等式第二項(xiàng)和第三項(xiàng)為0，則等效速度收斂到真實(shí)速度。根據(jù)式(6)，估計(jì)速度是SM面的離散函數(shù)，其低頻分量即為真實(shí)速度。因此，當(dāng)高頻分量反饋給觀測(cè)器后，低頻分量可以通過(guò)低通濾波器獲得，即為電機(jī)速度。

3 仿真分析

本文利用SIMULINK建立的仿真軟件驗(yàn)證方法的有效性。仿真系統(tǒng)中采用額定轉(zhuǎn)速為50 r/min的永磁同步電機(jī)，仿真步長(zhǎng)為10 μs，逆變器開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz。

圖4給出了額定速度為20 r/min階躍到40 r/min，逆變器直流側(cè)電壓為538 V，系統(tǒng)空載時(shí)，采用無(wú)速度傳感器與采用編碼器檢測(cè)速度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 速度突變時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出，在給定速度信號(hào)存在階躍時(shí)，采用無(wú)速度傳感器方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的準(zhǔn)確估計(jì)，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，穩(wěn)態(tài)速度平滑。

圖5給出了額定速度為40～-40 r/min，逆變器直流側(cè)電壓為538 V，系統(tǒng)空載時(shí)，采用無(wú)速度傳感器與采用編碼器檢測(cè)速度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 速度反向時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖5可以看出，在給定速度信號(hào)反向時(shí)，采用無(wú)速度傳感器方法可以實(shí)現(xiàn)與編碼器幾乎相同的跟蹤特性，差異較小，對(duì)系統(tǒng)速度估計(jì)準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

通過(guò)原理分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該觀測(cè)器可以準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)速度，從而省去速度傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，同時(shí)通過(guò)將滑模變結(jié)構(gòu)算法取代傳統(tǒng)MRAS方法中的PI環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)無(wú)速度傳感器控制更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)魯棒性更強(qiáng)。

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Research on speed sensorless of permanent magnet synchronous motor system

ZHANG Zhi-wei, ZHANG Tian-yi

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In order to improve capacity of resisting disturbance of the permanent magnet synchronous motor system,a speed sensorless method is proposed for speed identification.Sliding mode(SM)variable structure control and the model reference adaptive system(MRAS)method are combined together.Through selecting the motor body as reference model and using the output voltage and current of the inverter,the adjustable model based on flux equation are established.The speed is identified based on the two model error,using SM variable structure method.In the Matlab simulation platform,the speed sensorless method is analyzed.The results show that the proposed sensorless method has better dynamic and static performance and can accurately identify speed.

permanent magnet synchronous motor; sliding mode(SM)variable structure; model reference adaptive system(MRAS); speed sensorless

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0032—03

2016—06—21

TP 273

A

1000—9787(2017)02—0032—03

張志偉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制與電力電子技術(shù)。