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一种新型滑模变结构观测器的永磁同步电动机矢量控制 |
| 摘要 滑模变结构观测器由于其较强的鲁棒性以及对电机参数变化敏感度低特点，在无传感器驱动系统中得到了广泛的应用。但实际系统的不连续性和有限的滑模开关频率以及滑模开关增益选取不当使得滑模变结构观测器所估计量存在抖振问题。本文针对实际系统中滑模变结构观测器观测量存在的抖振问题，提出了多重化离散控制来代替传统的滑模变结构观测器中的符号函数实现多重状态切换，既保留了传统滑模具有的优点又有效抑制估计量的抖振现象。仿真和实验结果表明该方法有效的抑制了SMO估计量的抖振问题，提高了无位置永磁同步电动机矢量控制系统的运行性能。 关键词：永磁同步电动机 抖振 离散滑模控制 多重化 A Novel Sliding Mode Observer for PMSM Vector Control Abstract Due to the robust estimation performance and low sensitivity to variation of machine parameters, SMO is widely utilized in the sensorless drive system. However, values estimated by SMO does have chattering problem because of the discontinuity and finite switching frequency of the real system. In this paper, a novel sliding mode observer is proposed to circumvent the chattering problem. A multilevel discontinuous control is applied to replace the sign function utilized in the conventional models. The method both preserves the well-known SMO features and effectively inhibits the chattering problem. Results of simulation and experiments show that the method inhibits the chattering problem effectly and enhances the performance of sensorless PMSM vector control system. Keyword: PMSM, chattering, discontinuous control of SMO，multi-level 1 引言 永磁同步电动机以其功率密度高、转矩惯量比大和效率高等优点越来越多的应用于伺服控制。永磁同步电动机的磁场定向和矢量控制的实现需要转子转速和转子位置信息。在交流伺服驱动控制中常用光电编码器、旋转变压器和霍尔传感器来提供转子转速和转子位置信息，但是这些传感器的使用增加了系统的费用以及维护费用，同时还降低了系统的稳定性和可靠性。因此许多估计转子转速和转子位置的无传感器技术得到了广泛的发展。 文献[1]利用定子端电压和电流直接计算出转速和转子位置，这种方法计算简单、动态响应快、延迟小，但需要准确的电机数学模型。此方法需要结合参数自辨识来实现较准确的转子转速和转子位置估计；文献[2-3]中采用高频注入法等实现了对转速和转子位置的估计，这种方法能很好的解决低速和超低速时转速和转子位置估计问题，但实现起来相对比较困难，尤其是电机低速运行时非线性因素较为突出；文献[4-6]采用扩展卡尔曼滤波算法来估计对转子转速和转子位置，但该算法对转速和转子位置的观测计算量大，而且永磁同步电动机启动阶段估计值收敛到实测值的延迟效果较大；文献[7]运用神经网络理论来实现对转速和转子位置的估计，此类智能算法特别复杂，参数设计比较困难不利于实现。文献[8-10]运用了滑模变结构观测器来实现对转子转速和转子位置的估计，可以看出该算法鲁棒性强，对电机参数变化的敏感度低。滑模变结构观测器只有在离散系统开关频率为无穷大时才能够达到理论上的效果。实际上，有限的开关频率和相对理想状态下较低的采样频率都会使系统估计量出现抖振现象，其中滑模开关增益选取不当是出现抖振现象最主要的原因。 本文通过对滑模控制信号的多重化，减小了滑模开关增益实现多重切换状态从而有效地抑制了滑模变结构观测器估计量的抖振问题。文中所述的滑模变结构观测器在基于DSP2812永磁同步电动机数字控制系统中实现。仿真和实测结果验证了本文提出这种新型滑模变结构观测器的有效性。 2 多重化离散控制的滑模观测器 2.1 永磁同步电动机的数学模型
2.2 传统滑模变结构观测器 基于（1）式，滑模变结构观测器可构造为： 2.3 多重化控制滑模变结构观测器 把（3）式化为离散化形式可得： 2.4 基于滑模变结构观测器的永磁同步电动机矢量控制系统 图2为无位置传感器永磁同步电动机矢量控制驱动系统，系统包括一个转速外环和两个电流内环以及本文提出的自适应滑模变结构观测器。此外也包含传统矢量控制部分：Clark、Park变换和它们的反变换，SVPWM模块以及三相电压源逆变器和永磁同步电动机。转子位置通过滑模变结构观测器来估计得到，矢量控制采用Id=0的控制策略。  图2 系统控制框图 Fig2 The structure block diagram of control system 3 实验与分析 永磁同步电动机的主要参数为：定子电阻0.4Ω，交、直轴电感8.6mH，极对数4，永磁体0.213Wb，额定功率600W,额定转矩2.5 N•m，额定转速3000rpm。系统的采样频率为10kHz，母线电压为310V，最大相电流为5.8A。此外，采用2500-pulse增量式码盘用来测量初始转子校正角度。 图2和图3分别为永磁同步电动机转速为250rpm时，电动机空载和满载的仿真结果。  图2 多重化滑模观测器的仿真实验结果 Fig2 Simulation results of Multi-Level SMO : no load.  图3 多重化控制滑模观测器的仿真实验结果 Fig3 Simulation results of Multi-Level controlSMO : 2.5-Nm load. 图4和图5 分别为永磁同步电动机转速为250rpm时，永磁同步电动机空载和满载的实验结果。  （b）  （d） 图4 多重化控制滑模观测器空载实验结果: （a）码盘测量信号;（b）SMO估计信号 （c） 轴上滑模控制信号；（d） 轴上滑模控制信号 Fig4 Experimental results of Multi-Level control SMO:no load （a）signal measured by encoder; （b）signal estimated by SMO （c）stationary- axis sliding control; （d）stationary- axis sliding control  （b）  （d） 图5 多重化控制滑模观测器满载实验结果: （a）码盘测量信号；（b）SMO估计信号 （c） 轴上滑模控制信号；（d） 轴上滑模控制信号 Fig5 Experimental Results of Multi-Level SMO:full load （a）signal measured by encoder;（b）signal estimated by SMO （c）stationary- axis sliding control;（d）stationary- axis sliding control 从仿真结果看出，无论永磁同步电动机空载还是满载，前0.05秒内估计转子位置与实测转子位置存在较大误差，这是因为电动机刚启动时转速较低，反电势较小导致SMO估计量偏离实际值。启动结束后由于反电势足够大，所以SMO估计的转子位置与实测值几乎没有误差。实验中，电机轴存在机械摩擦使得电机启动时转速上升较仿真慢，但估计转子位置经过一个电周期后与码盘实测转子位置误差很小。同时，在永磁电动机空载和满载的情况下无论仿真还是实验，滑模观测器估计出的电动机转子位置和两相静止坐标轴上的滑模控制信号曲线都非常平滑，有效地消除了抖振现象，这充分验证了本文提到的滑模观测器的多重化控制可行性和有效性。 4 结论 本文在传统滑模变结构观测器永磁同步电动机矢量控制的基础上，提出了一种多重化控制的滑模变结构观测器。该方法估计出的转子角度曲线更平滑、更准确，尤其是在带载条件下，同时也保留了传统滑模观测器鲁棒性强等优点。本文提出的多重化滑模观测器已成功地用于永磁同步电动机矢量控制中。由上述仿真和实验结果验证了多重化控制滑模变结构观测器的正确性和有效性。 |
