永磁同步電機無傳感器矢量控制技術研究

王 金，姜如霞

（江西交通職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引 言

相對于普通交流變頻電機，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有效率高、能量密度高、轉矩慣量比大的特點以及環保低碳的優勢[1]。同時，永磁同步電機克服了繞線同步電機需要勵磁繞組、換向器、滑環而帶來的限制，具有良好的低速性能。但是，相比于異步電機，PMSM在控制時存在失步問題，因此需要通過轉子位置檢測或速度檢測裝置來獲得準確的轉子位置。當不存在轉子速度傳感器時，則需要通過其他容易測得的電機非轉速信號，如電機參數、定子電壓以及定子電流等來獲得電機的當前轉速或轉子位置，構成無速度傳感器的PMSM控制器[2,3]。

1 基于滑模觀測器的矢量控制方法

滑模觀測器通過不連續的控制變換系統結構，迫使系統狀態沿著特定路徑滑向平衡點，趨于穩定[4]。滑模控制器的原理由下式給出，通過bang-bang控制輸出量z控制電流誤差趨于0，則電壓估計量e～s趨近于真實感應電壓es，通過對es的相位判斷即可確定轉子磁鏈位置[5,6]。基于滑模觀測器的轉子磁鏈觀測算法表達式為：

式中，is為定子電流；為電流估計量；為電壓估計量；vs*為電機轉速；z為滑模控制器控制的輸出量，A為，B為。

式（1）和式（2）的離散形式為：

其中矩陣F和G的表達式為：

式中，I2表示2×2的單位矩陣。

轉子磁鏈位置檢測算法。轉子定位表示PMSM轉子靜止狀態下的轉子磁鏈初始位置檢測算法。

其基本原理是根據內置式PMSM的凸極效應造成PMSM轉子位置不同時定子電感不同，通過檢測電感的不同來確定轉子磁鏈初始位置[7,8]。內置式PMSM具有凸極效應，即Lq＞Ld，其中Lq為交軸電感，Ld為直軸電感，記均值電感L=(Lq+Ld)/2，差值電感ΔL=(Lq-Ld)/2，則定子磁鏈方程可表示為：

式中，θe為解耦角度；ψf為永磁體的磁鏈；isα和isβ為電子電流分量；ψsα和ψsb為磁鏈分量。

當具有凸極效應的電機注入高頻旋轉電壓矢量時，其定子電流表達式為：

定子電流經過的坐標變換為：

式（10）中求取反正切即可得到2θe的值。

當定子磁場方向與轉子磁場方向相同，磁場增加，鐵芯飽和程度加強，電感減小，反之磁場減弱，鐵芯飽和程度減弱，電感加強[9,10]。通過施加與轉子磁場同向和反向的定子磁場，比較定子電流上升率即可判斷兩次施加方法的電感大小，進而判斷出轉子磁鏈的N、S極。

2 試驗與分析

2.1 系統仿真

為驗證本文設計的矢量控制技術對系統的控制效果，在MATLAB/Simulink平臺系統搭建仿真模型如圖1所示，其中包括轉速、位置估算的滑模觀測器模塊、電流環、轉速環控制器、Clark-Park變換及其逆變換模塊、SVPWM模塊和逆變模塊。

圖1 基于滑模觀測器的矢量控制

關于電機估算速度、a、b、c三相電流的仿真結果如圖2所示。

圖2 仿真結果

2.2 硬件試驗設計

本文基于DSP硬件資源搭建了永磁同步電機及無傳感器矢量控制硬件系統，對所提出的控制方法進行了實驗驗證。

PMSM控制系統分為主電路、驅動電路（驅動板）和控制電路（控制板）3個部分。其中驅動板主要包括輔助電源模塊、電壓電流溫度采樣模塊以及IGBT的PMW驅動電路，輔助電源模塊提供控制板工作所需的5 V、+15 V、-15 V電源以及隔離24 V電源。控制板主要包括電源模塊、DSP最小系統、EEPROM電路、數字輸出電路、繼電器輸出電路、硬件過流檢測電路、故障鎖存及解鎖電路、PWM使能控制電路、模擬輸入信號調理電路、模擬信號輸出處理電路與通信電路等部分。

該控制系統速度檢測采用正交編碼器，控制板上設計正交編碼器信號處理電路，正交編碼器供電電源選為10 V，輸出信號電平也是10 V。編碼器輸出信號通過施密特反相器HEF50106BT進行信號整形，故HEF50106BT供電電壓選用10 V。由于HEF50106BT輸出信號通過高速光耦HCPL-0601進行電平轉換，因此輸出電平為3.3 V，與DSP數字電平匹配。

2.3 結果分析

本文對設計的控制系統在電機拖動實驗平臺上進行了實驗研究，實驗結果如圖3所示，分別為電機轉速達到480 r/min時的電壓波形和轉子位置波形。

圖3 實驗結果

3 結 論

本文提出了一種基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制技術，設計了一種轉子磁鏈位置估算檢測算法，在MATLAB/Simulink中構建了仿真模型，搭建了永磁同步電機無傳感器矢量控制的硬件平臺，并在電機拖動的負載實驗平臺進行實驗，通過實驗驗證轉子位置檢測算法響應速度較快、穩定性好，系統有效實現了永磁同步電機的無傳感器控制。