基于滑模观测器的永磁同步电机变结构鲁棒控制
张细政,王耀南
(湖南大学电气与信息工程学院,长沙410082)
摘 要:提出一种由一个变结构控制器和一个滑模观测器组成的控制系统,用于永磁同步电机的无传感器鲁棒控制.首先利用Lyapunov稳定性原理分析得到观测器的收敛条件及自适应率,并证明了其稳定性;然后以转速误差为参量建立滑模面,构造出变结构速度控制器,推导出自适应速度控制律,并得到速度控制的参考电流和参考电压.该方案的控制性能不依赖于电机参数和干扰变化,具有较强的鲁棒性.仿真结果验证了该方案的有效性与正确性.
关键词:永磁同步电机;滑模观测器;变结构控制;矢量控制;鲁棒性中图分类号: TP372 文献标识码: A
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引 言
在采用永磁同步电机(PMSM)的高性能伺服驱动和控制场合,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.采用无传感器的PMSM系统由于具有免安装、低价格和高可靠性而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.目前已提出的主要策略有: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,滑模变结构方法因其所具有的优良特性而受到越来越多的重视.该方法通过自行设计所需的滑模面和等效控制律,能快速响应输入的变换,而对参数变换和扰动不敏感,具有很好的鲁棒性,且物理制作简单.但大多数采用滑模变结构方法的控制系统没采用联合滑模观测和滑模控制的思想进行鲁棒方案的设计[6-8].
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,构造一种变结构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.同时,对转子速度构造鲁棒性更强的滑模观测器以取代传统的速度观测器,该方法能克服电机参数摄动和负载扰动对系统性能的影响.系统仿真结果验证了该控制方案设计的正确性.
2 滑模观测器
2.1 永磁同步电机模型
 测误差.
考察不同负载扰动对转速控制的影响,在t =0.1 s时分别施加1.5倍、1倍和0.5倍标称负载,图2给出了3种情况下的转速响应.可见,在负载变动下所提控制策略保持了较好的稳态性能.
若同时发生电机参数摄动(惯量J =3倍标称惯量)与负载扰动(t=0.2s时Tl=标称负载),对本文控制策略与PI控制器的转速响应进行比较,如图3所示.可见,相对于PI控制器,本文控制策略跟踪性能仍然良好,控制器能有效抑制参数摄动和负载扰动的影响.
5 结 论
基于滑模观测器和变结构控制方法,构建了一种新的永磁同步电机无位置传感器控制系统.在Lyapunov意义下,闭环系统的稳定性可由转速与转子位置自适应律及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,在转动惯量和负载变化下转速跟踪性能良好,能有效抑制参数摄动和负载扰动的影响.
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