王 金，姜如霞

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引 言

相對于普通交流變頻電機(jī)，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有效率高、能量密度高、轉(zhuǎn)矩慣量比大的特點(diǎn)以及環(huán)保低碳的優(yōu)勢[1]。同時，永磁同步電機(jī)克服了繞線同步電機(jī)需要勵磁繞組、換向器、滑環(huán)而帶來的限制，具有良好的低速性能。但是，相比于異步電機(jī)，PMSM在控制時存在失步問題，因此需要通過轉(zhuǎn)子位置檢測或速度檢測裝置來獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)不存在轉(zhuǎn)子速度傳感器時，則需要通過其他容易測得的電機(jī)非轉(zhuǎn)速信號，如電機(jī)參數(shù)、定子電壓以及定子電流等來獲得電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子位置，構(gòu)成無速度傳感器的PMSM控制器[2,3]。

1 基于滑模觀測器的矢量控制方法

滑模觀測器通過不連續(xù)的控制變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，迫使系統(tǒng)狀態(tài)沿著特定路徑滑向平衡點(diǎn)，趨于穩(wěn)定[4]?；？刂破鞯脑碛上率浇o出，通過bang-bang控制輸出量z控制電流誤差趨于0，則電壓估計量e～s趨近于真實(shí)感應(yīng)電壓es，通過對es的相位判斷即可確定轉(zhuǎn)子磁鏈位置[5,6]?；诨Ｓ^測器的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測算法表達(dá)式為：

式中，is為定子電流；為電流估計量；為電壓估計量；vs*為電機(jī)轉(zhuǎn)速；z為滑?？刂破骺刂频妮敵隽浚珹為，B為。

式（1）和式（2）的離散形式為：

其中矩陣F和G的表達(dá)式為：

式中，I2表示2×2的單位矩陣。

轉(zhuǎn)子磁鏈位置檢測算法。轉(zhuǎn)子定位表示PMSM轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)子磁鏈初始位置檢測算法。

其基本原理是根據(jù)內(nèi)置式PMSM的凸極效應(yīng)造成PMSM轉(zhuǎn)子位置不同時定子電感不同，通過檢測電感的不同來確定轉(zhuǎn)子磁鏈初始位置[7,8]。內(nèi)置式PMSM具有凸極效應(yīng)，即Lq＞Ld，其中Lq為交軸電感，Ld為直軸電感，記均值電感L=(Lq+Ld)/2，差值電感ΔL=(Lq-Ld)/2，則定子磁鏈方程可表示為：

式中，θe為解耦角度；ψf為永磁體的磁鏈；isα和isβ為電子電流分量；ψsα和ψsb為磁鏈分量。

當(dāng)具有凸極效應(yīng)的電機(jī)注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量時，其定子電流表達(dá)式為：

定子電流經(jīng)過的坐標(biāo)變換為：

式（10）中求取反正切即可得到2θe的值。

當(dāng)定子磁場方向與轉(zhuǎn)子磁場方向相同，磁場增加，鐵芯飽和程度加強(qiáng)，電感減小，反之磁場減弱，鐵芯飽和程度減弱，電感加強(qiáng)[9,10]。通過施加與轉(zhuǎn)子磁場同向和反向的定子磁場，比較定子電流上升率即可判斷兩次施加方法的電感大小，進(jìn)而判斷出轉(zhuǎn)子磁鏈的N、S極。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證本文設(shè)計的矢量控制技術(shù)對系統(tǒng)的控制效果，在MATLAB/Simulink平臺系統(tǒng)搭建仿真模型如圖1所示，其中包括轉(zhuǎn)速、位置估算的滑模觀測器模塊、電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)控制器、Clark-Park變換及其逆變換模塊、SVPWM模塊和逆變模塊。

圖1 基于滑模觀測器的矢量控制

關(guān)于電機(jī)估算速度、a、b、c三相電流的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真結(jié)果

2.2 硬件試驗(yàn)設(shè)計

本文基于DSP硬件資源搭建了永磁同步電機(jī)及無傳感器矢量控制硬件系統(tǒng)，對所提出的控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

PMSM控制系統(tǒng)分為主電路、驅(qū)動電路（驅(qū)動板）和控制電路（控制板）3個部分。其中驅(qū)動板主要包括輔助電源模塊、電壓電流溫度采樣模塊以及IGBT的PMW驅(qū)動電路，輔助電源模塊提供控制板工作所需的5 V、+15 V、-15 V電源以及隔離24 V電源?？刂瓢逯饕娫茨K、DSP最小系統(tǒng)、EEPROM電路、數(shù)字輸出電路、繼電器輸出電路、硬件過流檢測電路、故障鎖存及解鎖電路、PWM使能控制電路、模擬輸入信號調(diào)理電路、模擬信號輸出處理電路與通信電路等部分。

該控制系統(tǒng)速度檢測采用正交編碼器，控制板上設(shè)計正交編碼器信號處理電路，正交編碼器供電電源選為10 V，輸出信號電平也是10 V。編碼器輸出信號通過施密特反相器HEF50106BT進(jìn)行信號整形，故HEF50106BT供電電壓選用10 V。由于HEF50106BT輸出信號通過高速光耦HCPL-0601進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，因此輸出電平為3.3 V，與DSP數(shù)字電平匹配。

2.3 結(jié)果分析

本文對設(shè)計的控制系統(tǒng)在電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到480 r/min時的電壓波形和轉(zhuǎn)子位置波形。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計了一種轉(zhuǎn)子磁鏈位置估算檢測算法，在MATLAB/Simulink中構(gòu)建了仿真模型，搭建了永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制的硬件平臺，并在電機(jī)拖動的負(fù)載實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)子位置檢測算法響應(yīng)速度較快、穩(wěn)定性好，系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的無傳感器控制。