永磁同步电机无位置传感器双滑模鲁棒控制
张细政, 王耀南, 杨民生
(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)
摘 要:基于表面式永磁同步电机在二相坐标下的数学模型,采用滑模变结构方法设计了由滑模控制器和扩展滑模观测器组成的鲁棒控制系统。针对电机参数摄动和负载扰动对驱动性能的影响,以转速误差为参量建立滑模面,构造滑模速度控制器以取代目前在大多数控制方案中使用的PI控制器,利用Lyapunov理论推导出自适应速度控制律,得出速度控制的参考电流和参考电压表达式。由扩展滑模观测器估算转子速度和位置,分析得到观测器的收敛条件及自适应率,证明了其稳定性。理论分析表明该方案的控制器和观测器性能不依赖于电机参数和负载干扰,具有较强的鲁棒性。仿真结果验证了控制方案的有效性与正确性。
关键词:永磁同步电机;无传感器控制;滑模控制;滑模观测器;鲁棒性
中图分类号: TP273文献标识码: A文章编号: 1007-449X(2008)06-0696-05
1 引 言
永磁同步电机(PMSM)采用永磁体代替电激励系统,具有功率密度大、效率高、控制相对简单且制造形式灵活多样的特点,在高性能伺服驱动和控制场合受到广泛重视。为保证电机稳定运行并达到期望的控制性能,需要获得可靠的永磁转子位置信息,常用的方法是在转子轴上安装位置传感器测量转子位置和速度,但会使得控制系统成本增加,安装维护困难,且其控制性能会受到外界干扰的影响,不能广泛适用于各种场合,因此,采用无传感器的PMSM控制系统得到了广泛的研究与应用[1]。
PMSM无传感器调速控制系统利用电机绕组中的有关电信号,通过计算估计出转子的位置和速度,主要策略有:①基于数学模型的开环估计;②基于检测感应电动势e(t)来估计转速和位置;③模型参考自适应方法;④引入状态观测器的现代控制方法[2-5]。
近年来,滑模变结构方法受到越来越多的重视。通过自行设计所需的滑模面S(t)和等效控制律,能快速跟踪输入响应,而对参数变化和扰动不敏感,具有很好的鲁棒性,且物理制作较简单。但大多数采用滑模变结构方法的控制系统没有联合滑模观测和滑模控制的思想来进行鲁棒方案的设计[6-9]。
本文在两轴坐标系下对永磁同步电机的速度参量建立滑模面,并根据Lyapunov稳定性条件设计到达律,构造一种滑模速度控制器以取代传统的PI速度控制器,使得系统具有强鲁棒性和快速动态响应。对转子速度构造出鲁棒性更强的扩展滑模观测器以取代传统的速度观测器,力图克服电机参数摄动和负载扰动对系统性能的影响。
2 扩展的滑模观测器设计
2•1 永磁同步电机模型
假设表面式永磁同步电机具有正弦感应磁场,转子上没有阻尼绕组,忽略铁心饱和,不计涡流和磁滞损耗。将两相定子电流和反电动势视作状态变量,可构造扩展的状态方程与输出方程为
在获取测量的定子电压和电流分量后,依据上述模型设计基于滑模变结构的观测器来估计转子速度和位置,并利用滑模控制器实现对电机参数摄动和外部扰动不敏感的无传感器鲁棒控制。
2•2 扩展的滑模观测器设计
依据状态方程和输出方程,构造扩展滑模观测器[1]为
考察不同负载扰动对转速的影响,在t=0•1 s时分别施加1•5倍、1倍和0•5倍标称负载,图3给出3种情况下的转速响应。
5 结 语
采用扩展的滑模观测器和滑模控制器构建了一种新的永磁同步电机无位置传感器控制系统。在李亚普诺夫意义下,闭环系统的稳定性能由转速与转子位置观测值及滑模速度控制律得以保证,且具有较强的鲁棒性。仿真结果表明所提控制策略具有准确的转子位置估计及良好的转速响应能力,且在转动惯量和负载变化下转速跟踪性能,能有效抑制参数摄动和负载扰动的影响。
|
