基于數字信號處理器的特種電機無傳感器控制技術

崔紅

【摘 要】本文針對特種電機中的高速電機控制系統采用了基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制策略以解決高速電機傳統直接轉矩帶來的問題，研究了高速電機無傳感器的速度估算方法。建立了基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制系統的仿真模型，驗證了該控制方法的可行性。

【關鍵詞】高速電機；滑膜控制；無傳感器；直接轉矩控制

中圖分類號： TM310 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.018

0 引言

高速電機具有體積小、輸出功率大等特點，非常適合在高速銑床、壓縮機、水泵等系統中應用。對于高速電機驅動系統，由于在電機轉軸上安裝復雜的傳感器比較困難，所以采用無傳感器控制方式非常必要[1]。為了解決傳統直接轉矩帶來的轉矩脈動大、開關頻率變化等問題[1]，本文提出了一種結構簡單、動態響應快的基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制方式。

1 高速電機基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制

1.1 滑模控制器設計方法

高速電機基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制系統結構圖如圖1所示。電磁轉矩和定子磁鏈受滑膜控制器的控制，其輸出信號用于產生逆變器的控制信號以確保輸出的電磁轉矩和定子磁鏈能很好地跟蹤給定值。

結構圖

高速電機的狀態方程可以通過靜止坐標系α-β參考模型來建立。在基于滑膜控制的直接轉矩控制中，轉子位置信息包含在狀態方程中，不需要位置環就可以獲得精確的轉子位置信息，進而確保高速電機能夠可靠啟動。

在本文的研究中把電磁轉矩和定子磁鏈給定值與檢測值的差值作為切換函數S，如式（1）：

切換函數的選擇原則是當切換函數等于0時，使滑模運動方式穩定。采用指數趨近律能夠使系統在啟動時快速運行到切換面，而當滑模快接近切換面時速度減慢，進而避免電磁轉矩和定子磁鏈產生較大的波動。

指數趨近律為：

式中J、K均為大于0的常數。將式（6）代入式（2），可得式（7）所示的控制律矩陣U：

靜止坐標系α-β參考模型中的電壓矢量 可以計算出來，用于空間矢量的調制，能夠使開關頻率恒定。

1.2 轉子速度的估算

當高速電機穩態運行時，定子磁場和轉子磁場的旋轉速度相同[3]。轉子速度可以通過速度估算得到。

（8）

式中Rs為定子電阻值，ωr為轉子的速度，ωs為電機定子磁場的速度。

2 系統仿真及結論

本文以PN=15kW，UN=380V，nN=20000r/min，p=1，定子電阻Rs=0.02，Ld=Lq=4mH的高速電機為被控對象，對上述提出的基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制策略進行了仿真研究。仿真結果如圖2-圖5所示。

控制方式下的電磁轉矩及轉速曲線

從圖中的仿真結果可以看出，與傳統直接轉矩控制相比，高速電機基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制方式的定子磁鏈和轉矩脈動更小，動態響應和傳統直接轉矩控制一樣快。本文提出的基于滑膜控制的無傳感器直接轉矩控制方式能夠實現高速電機的無傳感器變速控制。電機的轉子位置和速度可以通過電機電壓和電流值估算出來。無傳感器控制策略特別適合于高速電機驅動系統。

【參考文獻】

[1]賈洪平，周華偉，劉國海.PMSM變結構直接轉矩控制無傳感器運行[J].電工技術學報，2007，22（10）：24-29.

[2]Zhong L，Rahman M F，Hu W Y and Lim K W.Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives[C].IEEE Transactions on Power Electronics，1997，3：528-536.

[3]R.Wu，G.R.Slemon.A permanent magnet motor drive without a shaft sensor[C].IEEE Trans.Ind.Applicat.，1991，2（5）：1005-1011.