永磁同步電機系統的無速度傳感器研究

張志偉， 張天一

永磁同步電機系統的無速度傳感器研究

張志偉， 張天一

(天津大學 電氣與自動化工程學院，天津 300072)

為了提高永磁同步電機系統的抗干擾能力，提出一種無速度傳感器方法，用于速度辨識。將滑模(SM)變結構控制與模型參考自適應系統(MRAS)方法相結合，選取電機本體作為參考模型，利用逆變器輸出的電壓和電流，構建基于磁鏈方程的可調模型，利用兩模型誤差運用SM變結構方法辨識速度。在Matlab仿真平臺對無速度傳感器方法進行了分析，研究結果表明:所提出的無速度傳感器方法具有較好的動靜態性能，可以實現對速度的準確辨識。

永磁同步電機； 滑模變結構； 模型參考自適應系統； 無速度傳感器

0 引 言

為了實現對永磁同步電機系統控制的目的，工業的控制系統一般會安裝速度傳感器，這會使永磁同步電機系統的性能依賴于速度傳感器。一旦速度傳感器故障或者速度傳感器傳出的轉子位置信號失準，就會導致控制失敗。同時，速度傳感器也會增加系統的成本，影響系統的可靠性。從這個角度來看，轉子速度信號利用控制方法來實現將成為降低永磁同步電機系統風險的一個有效的后備解決方案。事實上，利用控制方法實現對永磁同步電機轉子速度檢測的方法，即無速度傳感器控制法，已經成為重要的研究方向[1，2]。

目前無速度傳感器控制方法主要有：基于反電動勢算法、高頻注入法、擴展卡爾曼濾波器法、滑模(SM)觀測器法、模型參考自適應系統(MRAS)法等控制方法[3～7]。在諸多無速度傳感器控制技術中，MRAS具有結構簡單，運算量低等優點，成為一種常用的無速度傳感器控制方法[8]。傳統MRAS方法存在PI控制器調節困難問題，并且受系統參數變化及工作情況變化影響難以達到最佳性能。

本文在傳統MRAS控制方法的基礎上將SM變結構控制與MRAS相結合，提出了一種基于SM-MRAS速度觀測器的無速度傳感器控制策略。該無速度傳感器技術通過SM-MRAS轉速觀測器，實現對速度準確估計，省去了速度傳感器環節。最后在永磁同步電機系統平臺對無速度傳感器控制策略進行驗證，研究結果表明所提出的無速度傳感器控制策略的有效性。

1 無速度傳感器方法的工作原理

無速度傳感器控制策略一般基于矢量控制實現永磁同步電機無速度傳感器控制。永磁同步電機矢量控制方法主要有：id=0控制,功率因數cosφ=1控制,最大轉矩電流比控制等。這些矢量控制方法中，id=0控制方法簡單，計算量小，不存在由于電樞反應對永磁同步電機的去磁問題，被較為廣泛使用。因此，本文采用id=0矢量控制方法對永磁同步電機進行控制。

基于id=0矢量控制的無速度傳感器控制結構框圖如圖1所示，主要由六部分組成：1)速度和電流控制器；2)坐標變換模塊；3)空間矢量脈寬調制(SVPWM)模塊；4)逆變器單元；5)SM-MRAS速度觀測器；6)永磁同步電機(PMSM)。

圖1 無速度傳感器控制框圖

控制器的功能是根據反饋的速度和電流信號計算出給定的電壓信號；坐標變換模塊的功能是利用坐標變換理論實現永磁同步電機數學模型的轉換，簡化控制過程；SVPWM模塊的功能是根據電機運行情況計算出逆變器的開通和關斷信號；逆變器單元的功能是根據SVPWM模塊提供的開關信號，正確開通和關斷逆變器中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，輸出電機需要的三相正弦電壓。SM-MRAS速度觀測器的功能是根據定子電流和定子電壓計算出速度信號，反饋給控制器。

2 基于SM-MRAS的無速度傳感器方法設計

2.1 基于MRAS的無速度傳感器方法

MRAS法是將系統模型作為參考模型，結合辨識速度與系統模型關系構建可調模型，然后將兩模型的輸出的誤差信號經過PI控制器反饋到可調模型中，從可調模型得到辨識的速度信號，基于MRAS的速度觀測器結構框圖如圖2所示。

圖2 基于MRAS的速度觀測器框圖

圖2中參考模型為

(1)

式中ψd,ψq為d,q軸的磁鏈分量；Rs為定子電阻；Ls為定子電感；ωe為轉子角速度；ud和uq為d,q軸的電壓分量；ψf為永磁體磁鏈；p為微分符號。

根據式(1)中的磁鏈方程，可調模型為

(2)

根據Popov穩定性理論，基于磁鏈可調模型的傳統MRAS控制策略得到的轉子角速度為

(3)

式中kp和ki為正系數。

2.2 基于SM-MRAS的無速度傳感器方法

基于單一MRAS控制方法的速度觀測器采用PI控制器調節獲得速度，PI參數較難調節，當系統參數發生變化時，定參數的PI控制器難以到達最佳性能。SM變結構控制有很強的魯棒性，受系統參數變化影響小。本文提出SM-MRAS速度觀測器，采用SM變結構控制方法代替PI控制，使速度觀測器設計更簡單，魯棒性更強，基于SM-MRAS的速度觀測器結構框圖如圖3所示。

圖3 基于SM-MRAS的速度觀測器框圖

SM變結構控制是通過高頻切換控制刻意地改變系統結構，從而將系統狀態限制在SM面上。根據這一原則，設計SM面s為

(4)

則滑模面s的導數為

(5)

采用常值切換控制閥，估計速度為

(6)

式中 M為正常數，sign為符號函數。

將式(6)代入到式(5)可得

(7)

當M取足夠大值時，一定可以使SM面滿足Lyapunov穩定性條件，即滿足下式條件

(8)

(9)

從式(9)可以看出，當電機估計磁鏈與實際磁鏈相等時，等式第二項和第三項為0，則等效速度收斂到真實速度。根據式(6)，估計速度是SM面的離散函數，其低頻分量即為真實速度。因此，當高頻分量反饋給觀測器后，低頻分量可以通過低通濾波器獲得，即為電機速度。

3 仿真分析

本文利用SIMULINK建立的仿真軟件驗證方法的有效性。仿真系統中采用額定轉速為50 r/min的永磁同步電機，仿真步長為10 μs，逆變器開關頻率為5 kHz。

圖4給出了額定速度為20 r/min階躍到40 r/min，逆變器直流側電壓為538 V，系統空載時，采用無速度傳感器與采用編碼器檢測速度的對比實驗結果。

圖4 速度突變時實驗結果

從圖4可以看出，在給定速度信號存在階躍時，采用無速度傳感器方法可以實現對速度的準確估計，具有較快的動態響應特性，穩態速度平滑。

圖5給出了額定速度為40～-40 r/min，逆變器直流側電壓為538 V，系統空載時，采用無速度傳感器與采用編碼器檢測速度的對比實驗結果。

圖5 速度反向時實驗結果

從圖5可以看出，在給定速度信號反向時，采用無速度傳感器方法可以實現與編碼器幾乎相同的跟蹤特性，差異較小，對系統速度估計準確。

4 結 論

通過原理分析和實驗結果表明:該觀測器可以準確估計系統速度，從而省去速度傳感器實現無速度傳感器控制，同時通過將滑模變結構算法取代傳統MRAS方法中的PI環節，使系統無速度傳感器控制更加簡單，系統魯棒性更強。

[1] Bolognani S,Calligaro S,Petrella R,et al.Sensorless control of IPM motors in the low-speed range and at standstill by HF injection and DFT processing[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2011,47(1):96-104.

[2] 夏長亮,方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制[J].電工技術學報,2012,27(3):25-34.

[3] Qiao Zhaowei,Shi Tingna,Wang Yindong,et al.New sliding-mode observer for position sensorless control of permanent magnet synchronous motor[J].IEEE Transactions on Industrial Electro-nics,2013,60(2):710-719.

[4] Ji Hoon Jang,Seung Ki Sul,Jung I K Ha,et al.Sensorless drive of surface-mounted motor by high-frequency signal injection based on magnetic saliency[J].IEEE Transactons on Industry Application,2003,39(4):1031-1039.

[5] Bolognani S,Oboe R,Ziglitto M.Sensorless full-digital PMSM drive with EKF estimation of speed and rotor positon[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(1):184-191.

[6] Kim Hongryel,Son Jubum,Lee Jangmyung.A high-speed sliding-mode observer for the sensorless speed control of a PMSM[J].IEEE on Industrial Electronics,2011，58(9):4069-4077.

[7] Bolognani S,Oboe R,Ziglitto M.Sensorless full-digital PMSM drive with EKF estimation of speed and rotor positon[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(1):184-191.

[8] 李 瀛,胡立坤,梁冰紅.采用MRAS 速度觀測器的異步電機無電壓傳感器DTC研究[J].傳感器與微系統,2015,34(6):61-63.

Research on speed sensorless of permanent magnet synchronous motor system

ZHANG Zhi-wei, ZHANG Tian-yi

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In order to improve capacity of resisting disturbance of the permanent magnet synchronous motor system,a speed sensorless method is proposed for speed identification.Sliding mode(SM)variable structure control and the model reference adaptive system(MRAS)method are combined together.Through selecting the motor body as reference model and using the output voltage and current of the inverter,the adjustable model based on flux equation are established.The speed is identified based on the two model error,using SM variable structure method.In the Matlab simulation platform,the speed sensorless method is analyzed.The results show that the proposed sensorless method has better dynamic and static performance and can accurately identify speed.

permanent magnet synchronous motor; sliding mode(SM)variable structure; model reference adaptive system(MRAS); speed sensorless

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0032—03

2016—06—21

TP 273

A

1000—9787(2017)02—0032—03

張志偉(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電機控制與電力電子技術。