吳 楚 許 凱

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永磁同步電機(jī)新型滑模觀測器

吳 楚1許 凱2

1.武警工程大學(xué)信息工程系，陜西 西安 710086 2.沈陽指揮學(xué)院，遼寧 沈陽 110000

為減小永磁同步電機(jī)低速運(yùn)行時滑模觀測器引起的抖振，提高滑模觀測器的抗干擾能力，現(xiàn)設(shè)計了一種新型滑模觀測器，該新型觀測器通過將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計值反饋到滑模觀測器模型中，進(jìn)行滑模增益系數(shù)的在線調(diào)整

永磁同步電機(jī)；滑模觀測器；滑模增益系數(shù)；兩級濾波器

永磁同步電機(jī)（Permanent-Magnet Synchronous Motor，PMSM）因為具有體積小、可靠性高、高效率和高轉(zhuǎn)矩慣量比等優(yōu)點(diǎn)，在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)PMSM的高效控制，必須要能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地將PMSM的速度和位置信息反饋至PMSM的控制系統(tǒng)中，早期的電機(jī)[1]，為了能準(zhǔn)確的獲取這些信息，在電機(jī)里安裝了傳感器來測量這些數(shù)據(jù)。然而傳感器的存在，不但增加了控制系統(tǒng)與電機(jī)之間的連接線和接口電路，引入了電磁干擾，使系統(tǒng)可靠性降低，而且還會減小電機(jī)的使用壽命增加控制系統(tǒng)的故障點(diǎn)。因此，無傳感器永磁同步電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)今電機(jī)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在各種無傳感器控制中，Luenberger觀測器、磁鏈觀測器和滑模觀測器[2-4]等無傳感器控制方式，因為控制效果優(yōu)越，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中滑模觀測器，由于對系統(tǒng)模型精度要求不高，對參數(shù)變化和外部干擾不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性[5]，使之成為熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。據(jù)理論分析可知，為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子速度和位置信息，必須實現(xiàn)對反電動勢的準(zhǔn)確預(yù)測。而預(yù)測的反電動勢抖振與滑模增益是成正比的，因此，本文通過將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計值反饋到滑模觀測器方程模型的設(shè)計，來進(jìn)行滑模增益自動調(diào)整，使得永磁同步電機(jī)在低速運(yùn)行時，保持滑模增益系數(shù)K較小，隨轉(zhuǎn)速增大時K值又能適當(dāng)增大，實現(xiàn)對定子電流的準(zhǔn)確跟蹤。在PMSM的整個控制系統(tǒng)，電流信號中會摻雜許多高頻的觀測噪聲[6]，滑模觀測器中的切換函數(shù)也會受到這些噪聲影響，直接用切換函數(shù)輸出的信號來計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置會引起較大誤差。所以通常情況下，需要經(jīng)過低通濾波器對其進(jìn)行濾波后才能用來計算電機(jī)的速度和位置，傳統(tǒng)的滑模觀測器一般都只使用一級濾波器，但是通常經(jīng)過一級濾波器濾波的信號中還存在許多諧波分量，因此為了進(jìn)一步減小干擾信號，本文在傳統(tǒng)滑模觀測器的基礎(chǔ)上又加了一個低通濾波器，采用了兩級濾波機(jī)制。

1 滑模觀測器基本理論

為了簡化分析，在建立永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型時，作如下處理：假設(shè)磁路不飽和、空間磁場呈正弦分布、不計渦流和磁滯損耗影響。PMSM基于靜止參考系的特征公式為：

（2）

式中，符號“^”表示估計值；K為滑模增益系數(shù)。

2 新型滑模觀測器的設(shè)計

2.1 理論分析

在數(shù)控系統(tǒng)下，將式（2）進(jìn)行離散化處理得：

（4）

又由式（4）可得：

受文獻(xiàn)[7-9]的理論啟發(fā)，為了實現(xiàn)PMSM能在不同轉(zhuǎn)速，選取適當(dāng)?shù)幕Ｔ鲆嫦禂?shù)。本文通過將估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速反饋到滑模觀測器方程，設(shè)計了一個新型的滑模增益在線可調(diào)的滑模觀測器：

2.2 穩(wěn)定性分析

滑模觀測器要能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，必需滿足Lyapunov穩(wěn)定性定理[10]，即滿足：（1）當(dāng)時，；（2）系統(tǒng)滿足。根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定性原理選擇

因為：

2.3 轉(zhuǎn)子位置估計

在一些精度要求較高的實際應(yīng)用中，經(jīng)過一次低通濾波得到的反電勢中仍然還有較多的干擾信號，不適合用來計算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。因此本文采用兩級低通濾波器來獲取轉(zhuǎn)子位置。用第二級濾波得到的反電勢、用來計算轉(zhuǎn)子的位置和速度，其中一般截止頻率設(shè)為系統(tǒng)頻率的1～6倍。由此可得新的估算反電勢為：

此時轉(zhuǎn)子位置估計公式為：

3 結(jié)論

經(jīng)分析滑模觀測器預(yù)測時產(chǎn)生的反電動勢抖振與滑模增益是成正比的，而傳統(tǒng)滑模觀測器中其滑模增益為固定值，因此，本文設(shè)計的通過將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計值反饋到滑模觀測器方程模型的設(shè)計，來進(jìn)行滑模增益自動調(diào)整，使得永磁同步電機(jī)運(yùn)行時，保持滑模增益系數(shù)K較小，隨轉(zhuǎn)速增大時K值又能適當(dāng)增大，實現(xiàn)對定子電流的準(zhǔn)確跟蹤，該算法具有一定的適用性。

[1]周雒維, 一種永磁同步電機(jī)滑模觀測器的設(shè)計[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版, 2008, 31(1):34-37.

A Novel Sliding-Mode Observer for the Sensorless Control of Permanent-Magnet Synchronous Motor

Wu Chu1 Xu Kai2

1. Department of Information Engineering, Engineering University of CAPF, Shanxi Xi’an 710086 2. Shenyang command academy, Liaoning Shenyang 110000

To reduce the chattering of sliding mode observer during low speed running of Permanent Magnet Synchronous Motor, and improve the anti-interference ability of the sliding mode observer, a new type of sliding mode observer is proposed in this paper, the method by putting the estimate speed of the rotor feedback to the sliding mode observation equation to realize the online adjustment of sliding mode gain coefficient.

Permanent Magnet Synchronous Motor; sliding mode observer; sliding mode gain; two stage filter

TM341

A

1009-6434（2017）04-0133-02