基于滑模观测器的无传感器永磁同步电机矢量控制系统
吴春华,陈国呈,孙承波
(上海大学机电工程与自动化学院;上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072)
摘要:本文在深入分析永磁同步电机数学模型的基础上,将滑模变结构控制应用于永磁同步电机控制系统中,根据永磁同步电机的数学模型,设计了一个滑模变结构控制器,用于估算电机转子位置和速度;根据磁场定向控制理论,利用估算的转子角度实现了无传感器矢量控制。实验结果表明,滑模变结构控制器对系统参数变化、外界环境的扰动以及内部的摄动具有很强的鲁棒性,能够在全频率范围内追踪实际信号,实现对转轴位置的观测。
关键词:滑模观测器;永磁同步电机;无位置传感器;矢量控制
中图分类号:TM351 文献标识码: A 文章编号:1003-3076(2006)02-0001-03
1 引言
永磁同步电机因具有结构简单、体积小、重量轻、效率高等优点,在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。高性能永磁同步电机调速系统通常需要在电机轴上安装传感器(如编码器、解码器、测速发电机),以提供电机控制所需要的转子位置和速度信号。但这些传感器增加了系统成本,增大了电机的尺寸和转动惯量,降低了系统可靠性,从而限制了传动系统在恶劣环境下的应用。因此,很多学者致力于无传感器永磁同步电机控制系统的研究,提出了多种估算转子位置角和转速的方法[1]:定子磁链估算法、模型参考自适应法、状态观测器估算法、高频注入法、人工智能估算法等。
滑模变结构控制器对系统数学模型精度要求不高,对系统参数变化、外界环境扰动以及内部摄动等具有完全的自适应性,因此具有很强的鲁棒性,在交流调速系统控制领域展示了良好的应用前景[2-7]。本文将滑模变结构控制应用于永磁同步电机控制系统,根据永磁同步电机的数学模型,设计了一个滑模变结构控制器,以估算电机转子位置和速度,实现了无传感器永磁同步电机的矢量控制。
2 磁场定向永磁同步电机数学模型
永磁同步电机定子上有A、B、C三相对称绕组,转子上装有永久磁钢,定子和转子间通过气隙磁场耦合。假设磁路不饱和,在空间磁场呈正弦分布,不计磁滞和涡流损耗影响条件下,得到d、q坐标系上永磁同步电机电磁转矩:
4 实验结果
为了检验滑模观测器算法的准确性,在一个伺服系统上进行了实验,该伺服系统由带光电编码器的永磁同步电机构成。利用实验系统提供的电机电压和电流数据,可以由滑模观测器估计电机的速度和位置,并与伺服系统实验电机光电编码器提供的信号进行比较。永磁同步电机实际参数如下:额定电压为300VDC,额定转速为1000r/min,额定电流为3.1A,极对数为3,相电阻为3.4Ω,相电感为12.5mH,光电编码器为2500线增量型。
图3为α-β坐标系上实际电流和估算电流的实验波形,图中估算电流很好地追踪着实际电流,并且在滑模面上作滑模运动,其中估算电流沿着实际值上下振荡是滑模观测器固有的抖振现象。图4为转轴实际角度和估算角度的实验波形;图5为转轴实际角度和估算角度的起动波形,从图中可以看出估算角度和实际角度完全一致。图6为滑模面开关信号与估算反电势的实验波形,由上述分析可知,滑模面开关信号中包含着反电势信息,通过软件滤波得到估算反电势波形。
5 结论
本文将滑模变结构控制应用于永磁同步电机控制系统中,根据永磁同步电机的数学模型,设计了一个滑模变结构控制器,用于估算电机转子位置和速度。实验结果表明,滑模变结构控制器能够在较广频率范围内追踪实际信号,实现对转轴位置的观测,从而实现了无传感器磁场定向控制。
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