基于自適應模糊滑模的PMSM無速度傳感控制研究

劉芳璇,崔 晶 ,李益民,王桂榮

（1. 西安鐵路職業技術學院 牽引動力系, 陜西 西安 710014；2. 中國計量學院 機電工程學院,浙江 杭州 310018）

基于自適應模糊滑模的PMSM無速度傳感控制研究

劉芳璇1,崔 晶1,李益民1,王桂榮2

（1. 西安鐵路職業技術學院 牽引動力系, 陜西 西安 710014；2. 中國計量學院 機電工程學院,浙江 杭州 310018）

為研究永磁同步電機（PMSM）在無速度傳感器工況下的速度跟蹤估計，以PMSM的工作原理為基礎，建立了內埋式PMSM的數學模型。利用自適應模糊微分積分滑模魯棒性強的優點，提出了在自適應模糊微分積分滑模控制條件下采用旋轉高頻電壓注入法對電機轉速估計的無速度傳感器控制方案，并分析了電機在高低速運行時特點。仿真結果表明，采用高頻注入法的自適應模糊微分積分滑模控制系統在高、低速工況下運行時穩定可靠，并具有較好的魯棒性，能夠實現速度跟蹤估計。

永磁同步電機；自適應模糊微分積分滑模控制；旋轉高頻電壓注入法；轉速估計；無速度傳感器

在現代交流傳動系統中，為實現高精度，高動態性能的速度和位置控制，一般都需用傳感器測量轉子的位置和速度。傳統的機械式傳感器存在著安裝，連接和故障等問題，大幅降低系統的可靠性及魯棒性，尤其是在高速、高精度控制中，更有結構、價格等因素制約了其適用范圍。而永磁同步電機(PMSM)的無速度傳感器控制，不僅有效避免了采用機械式傳感器所帶來的缺陷，減少了電機的體積和成本，而且能夠準確估計其轉子的速度和位置。在眾多型號的PMSM中，內埋式PMSM因其功率因數高、功率密度高以及過載能力強而應用廣泛，其無速度傳感器矢量控制技術已成為研究的熱點[1-3]。目前已經提出了很多估計其轉速的方法，如文獻[4]提出的卡爾曼濾波器法，文獻[5-6]述及的模型參考自適應法，以上兩種估算方法較為復雜，其結構調節和參數設計均比較困難。而旋轉高頻電壓注入法主要應用于凸極率較大的內埋式PMSM的轉子位置檢測。雖然自檢測系統較為復雜，提取轉子位置信息的算法對系統性能影響較大，電機須具有較高的凸極率作為外部條件，但從現實角度來講，采用高頻電壓注入法的轉子位置檢測系統自成一體，易于調試和實現，并兼具良好的抗干擾性和穩定性。因而，旋轉高頻電壓注入法被廣泛應用于無傳感器的PMSM矢量控制中[7]。

PMSM矢量控制系統的速度閉環通常采用常規PI控制器，其抗干擾性和抗參數攝動能力不夠理想，難以獲得滿意的動態性能，而滑模控制器具有抗擾動能力強，以及魯棒性好等特點[8-9]。因此，本文設計了一種自適應模糊微分積分滑模控制器，將其作為速度閉環的控制器，同時基于旋轉高頻電壓注入法的無速度傳感技術對PMSM進行矢量控制。仿真結果表明系統響應快速，無超調，抗負載擾動性能佳，魯棒性強。

1 自適應模糊微分積分滑模控制器設計

PMSM在d-q坐標系下的數學模型如下：

1 )定子電壓方程：

2 )定子磁鏈方程：

對于內埋式PMSM，有 Ld≠Lq。

3 )電磁轉矩方程為：

將式(2)代得：

4 )力矩平衡方程:

選取積分滑模面為：

根據到達滑模面的廣義條件設計自適應微分積分控制器及控制律分別如式（8）、式（9）所示：

定義Lyapunov函數為：

對控制變量u設計模糊控制器，得：

2 仿真結果及分析

對內埋式PMSM無速度傳感器控制系統采用旋轉高頻電壓注入法結合自適應模糊微分積分滑模控制器進行仿真研究。無速度傳感器控制系統結構如圖1所示。采用id=0矢量控制法，逆變器輸出電壓采用SVPWM調制技術，所選內埋式PMSM參數見表1。選擇逆變器開關頻率為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 無速度傳感器PMSM AFDI-SMC系統結構圖Fig.1 System of speed sensor-less AFDI-SMC

表1 PMSM參數表Tab1. Parameters of embedded PMSM

圖3為PMSM低速負載運行時的響應特性。如圖3(a)所示，給定轉速為50 r/min，啟動轉矩為0 N·m，在0.3 s時突加1 N·m的負載，并在0.5 s時突卸該負載。轉速估計曲線在0.08 s時出現超調，后經大約0.07 s恢復穩定。圖3(b)為PMSM低速負載運行時電角度估計圖。可知，PMSM低速運行時加、卸載性能佳，魯棒性強。

圖2 PMSM高速負載運行響應特性Fig.2 Estimated loaded response at high speed

圖3 PMSM低速負載運行響應特性Fig.3 Estimated loaded response at low speed

3 結束語

文中設計了自適應模糊微分積分速度閉環滑模控制器，并采用基于旋轉高頻電壓注入法的無速度傳感器技術對PMSM進行矢量控制。由仿真結果知，PMSM滑模控制系統穩定可靠，轉子響應快速，具有良好的動態特性。自適應模糊微分積分滑模控制器對系統內部參數攝動、外部干擾等具有良好的自適應性，不僅能夠保證PMSM調速系統的動態性能，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 ‘an 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：201404150

國家自然科學基金資助項目（61203113）

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