基于滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器算法綜述

吳 楚 許 凱

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基于滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器算法綜述

吳 楚1許 凱2

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

介紹了永磁同步電機(jī)無位置傳感器算法的主要方法，其中，滑模觀測器被公認(rèn)為適用性較高的方法。因此，主要對滑模觀測器在永磁同步電機(jī)無位置傳感器算法的研究現(xiàn)狀以及今后研究方向進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

永磁同步電機(jī)；無位置傳感器；滑模觀測器

1 永磁同步電機(jī)無傳感器控制策略

由于永磁同步電機(jī)是一個非線性多變量強(qiáng)耦合的復(fù)雜對象，所以對它的有效控制一直以來就是本領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，其中高速永磁同步電機(jī)無傳感器控制一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)[1]。

為了提高和改善永磁同步電機(jī)的控制性能，國內(nèi)外學(xué)者致力于將先進(jìn)的無傳感器控制策略引入交流調(diào)速系統(tǒng)中，比如模型參考自適應(yīng)、Luenberger 觀測、磁鏈觀測器和滑模觀測器等，這些方法各有特點(diǎn)，下面對這些方法進(jìn)行逐一總結(jié)。

1.1 模型參考自適應(yīng)法

模型參考自適應(yīng)法（Model Reference Adaptive System，MRAS）它將觀測對象的實(shí)際數(shù)學(xué)模型為參考模型，建立一個與其具有相同輸入和輸出并含有待觀測對象的可調(diào)模型，再通過自適應(yīng)調(diào)整機(jī)構(gòu)根據(jù)兩個模型的輸出變量不斷調(diào)整可調(diào)模型的待觀測量，使其逐步逼近實(shí)際值。該方法同樣是通過反饋環(huán)節(jié)以逐步減小估算誤差，該方法估算精度高并具備一定的魯棒性。

1.2 Luenberger 觀測器

該方法屬于狀態(tài)觀測器的一種，它將估算值與實(shí)際值之間的估算誤差反饋至觀測器方程中，不斷修正觀測器的估算精度，從而達(dá)到對觀測對象準(zhǔn)確估算的目標(biāo)。該方法結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度較快，估算精度較高，在沒有擾動的情況下可以做到無誤差估算，具有一定的工程應(yīng)用價值，然而該方法魯棒性一般，在遇到擾動時，估算精度會隨之下降，必須結(jié)合誤差補(bǔ)償算法才能進(jìn)一步提高估算精度。

1.3 磁鏈觀測器

該法通過對電機(jī)定子磁鏈的在線估算以確定PMSM的位置和速度信息，從而解決了上述幾種基于反電勢的無傳感器控制方式在電機(jī)低速運(yùn)行時估算精度較差的問題。磁鏈觀測器法通過對定子電壓方程的積分運(yùn)算確定PMSM在α和β軸上的磁鏈大小，再通過反正切函數(shù)和微分運(yùn)算計算出轉(zhuǎn)子位置和速度。雖然該方法在PMSM低速運(yùn)行時具有較好的觀測精度，但由于該方法是一種純積分運(yùn)算，如果初始值選取不當(dāng)，系統(tǒng)在整個無傳感器控制過程中都會存在估算誤差。

2 永磁同步電機(jī)中滑模觀測器研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的滑模觀測器因為魯棒性很強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)方法簡單，被廣泛應(yīng)用于工作在各種復(fù)雜條件下的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，但由于其控制實(shí)現(xiàn)過程中高頻切換信號的存在，產(chǎn)生了較大抖振，難以滿足高精度的控制要求。研究學(xué)者們針對不同應(yīng)用場合，將各種先進(jìn)的技術(shù)與滑模觀測器結(jié)合在一起進(jìn)行了各種新型滑模觀測器研究。

（1）通過理論分析可知，由滑模觀測器的抖振引起的觀測器誤差大小與滑模增益系數(shù)、開關(guān)頻率和電機(jī)參數(shù)等有關(guān)。其中，電機(jī)定子電阻與電感等參數(shù)與電機(jī)自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常可以將其當(dāng)作常數(shù)，但是隨著電機(jī)溫度的升高這些參數(shù)也會隨之發(fā)生變化，所以，一些學(xué)者將參數(shù)在線識別方式與滑模觀測器相結(jié)合在了一起，對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，以提高觀測器估算精度。

（2）在實(shí)際控制中，抖振大小主要與開關(guān)頻率和滑模增益系數(shù)有關(guān)。開關(guān)頻率越大抖振越小，理想的滑模觀測器，當(dāng)開關(guān)頻率趨向無限大時抖振趨向于零，但是，電機(jī)的開關(guān)頻率不宜過大，這樣會導(dǎo)致電機(jī)溫度升高過快而發(fā)生故障，因此開關(guān)頻率的取值也是如今改進(jìn)滑模觀測器的一個方面。

（3）滑模增益與抖振大小有成正比的關(guān)系，當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速時滑模增益不易過大，這樣會產(chǎn)生較大抖振。當(dāng)高轉(zhuǎn)速時，滑模增益又必須足夠大才能實(shí)現(xiàn)定子電流的跟蹤，因此如何實(shí)現(xiàn)滑模增益自適應(yīng)也是新型滑模觀測器的一個研究熱點(diǎn)。

3 永磁同步電機(jī)中滑模觀測器研究方向

傳統(tǒng)滑模觀測器結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖1 SMO結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可以看出，在滑模觀測器改進(jìn)上還可以從以下用三方面入手：

（1）通過設(shè)計低通濾波器，利用低通濾波器對滑模觀測器觀測的結(jié)果進(jìn)行濾波，從而得到平滑的電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置估計值但該方法會產(chǎn)生相位滯后，在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)一步補(bǔ)償。

（2）切換函數(shù)，即利用飽和函數(shù)或其他函數(shù)代替滑?？刂魄袚Q不連續(xù)控制，但是由于受邊界層限制，無法保證觀測誤差精確到零。

（3）高階滑模觀測器方法，即釆用高階滑模理論設(shè)計高階滑模觀測器用于永磁同步電機(jī)速度和位置觀測，從而避免了傳統(tǒng)一階滑模觀測器“抖振”問題，也不會降低觀測精度和產(chǎn)生其他附加不利因素，但高階滑模觀測器相對于傳統(tǒng)一階滑模觀測器很少采用李雅普諾夫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計相對復(fù)雜，工程應(yīng)用難，故仍需大量研究。

4 結(jié)束語

基于滑模觀測器永磁同步電機(jī)無傳感器控制是目前的一個研究熱點(diǎn)，它直接關(guān)系到一個系統(tǒng)運(yùn)行的效率。新型的控制方法研究必須從實(shí)際出發(fā)，以滿足電機(jī)應(yīng)用的實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，盡力精簡結(jié)構(gòu)，力求簡單實(shí)用，這樣的控制方法才有生命力。

[1]張曉光.永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制若干關(guān)鍵問題研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

Survey of Position Sensorless Algorithm for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Sliding Mode Observer

Wu Chu1Xu Kai2

1 Armed Police Force Engineering University，Xi'an，Shaanxi 710086 2 Shenyang Command College，Shenyang，Liaoning 110000

In this paper，the main method of position sensorless algorithm for permanent magnet synchronous motor （PMSM） is introduced.Sliding mode observer is considered to be the most suitable method.In this paper，The research status of the sliding mode observer （PMSM） algorithm and the future research direction are introduced in detail.

permanent magnet synchronous motor； position sensor； sliding mode observer

TM341

A

1009-6434（2016）12-0153-02