摘 要:提出了一种基于滑模观测器的永磁同步电动机无位置传感器的控制方法。采用坐标变换,建立永磁同步电动机的数学模型,依据滑模观测器理论,设计了滑模观测器,观测出电机反电动势,实现对永磁同步电动机的转子位置和转速实时估算,并进行了仿真,同时对电机负载转矩的扰动影响进行了实验研究。仿真和实验结果表明,所提出的控制方法是可行的,且具有较强的鲁棒性。
关键词:滑模观测器;永磁同步电动机;无位置传感器控制
永磁同步电动机(以下简称PMSM)具有功率密度大、效率高、损耗小、便于控制等特点,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。在PMSM转子磁场定向矢量控制中,精确检测出转子位置信息是关键。通常是在电机轴上安装光电编码器等传感器来检测转子的位置信息。但随之也带来诸多的问题:成本的增加,转子转动惯性增加,系统鲁棒性降低等。因此,采用无速度传感器的闭环控制系统成为电机调速发展的趋势。为了获得较好的稳定性和较高的控制精度,目前,采用的控制方案主要有:①扩展卡尔曼滤波器(EKF)在线估算电机的转速。但这种方法算法复杂,同时要用到许多随机误差的统计参数,要通过大量的调试才能确定合适的随机参数。②利用PMSM基本电磁关系估算转子的位置和速度,但这种方法对电机参数特别敏感,且转速较低时估算不准确。③高频注入的方法。但高频信号的注入会带来高频噪声问题,而且需要特殊的硬件支。
本文提出一种采用滑模观测器(SMO)估算PMSM转子位置和速度信息。和其他方法相比,滑模运动同控制对象的参数变化与扰动无关,具有较
好的鲁棒性。PMSM无位置控制系统结构。其中滑模观测器(SMO)是根据输入电流和电压在α、β坐标系下的分量iα、β和vα、β来估算出电
机转子位置θ^和速度ω^,实现电机的无传感器控制。
永磁同步电动机数学模型为了简化PMSM数学模型,作如下假设:
(1)磁路线性且不考虑磁路饱和;
(2) PMSM具有正弦感应电动势;
(3)忽略电机中的涡流损耗和磁滞损耗。
滑模变结构控制本质是滑模运动,通过结构变换开关以很高的频率在切换面来回切换,使状态的运动点总以很小的幅度在相平面上运动,最终运动
到稳定点。
该速度控制系统是由速度、电流双闭环实现的。采用的算法由相应的模块来实现: PARK变换模块、CLARK变换模块、反PARK变换模块、用来估算转子位置和速度的滑模观测器模块、PI调节模块、空间矢量PWM生成模块等。整个控制系统以DSP芯片为核心,再配以简单的外围电路,其复杂的控制算法及功能全部由软件来实现。
本文所提出了基于滑模观测器的无位置传感器控制算法,为了验证方案的控制效果,对系统进行了仿真和实验研究。PMSM定子三相Y接,电机的参
数为:定子电阻3. 98Ω,定子电感17. 8 mH,转子极对数3,额定电流3. 5A,额定转速1 000 r/min,控制系统如图3所示,设定转速为700 rad/s。
系统的控制软件包括主程序和中断服务子程序两部分。主程序一开始先执行系统初始化子程序,完成系统硬件和软件的初始化任务,然后进入循环等待状态,当中断到来时,响应并执行相应的中断服务子程序。中断服务子程序即是完成控制算法部分,是基于一个由PWM下溢中断的等待环。当中断到来时确认和执行相应的服务中断子程序。所有的磁场定向控制算法在PWM中断子程序内执行完毕。
本文提出了一种基于滑模观测器来估算永磁同步电动机速度与位置信息的控制方法,仿真以及实验结果表明,能够对电机的转速和转子位子准确估算,实现电机无位置传感器调速控制,而且,对电机负载转矩的扰动也具有很好的鲁棒性。在0. 04 s时让负载突变,转速降低很小,经过短时间的振荡后,仍然进入稳定的运行状态,且转速几乎没有变化,说明系统的抗负载扰动能力和速度闭环调节能力都较强。
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