摘 要:分析了一类非线性系统基于扰动的滑模状态观测器设计的基本思想,在此基础上将其应用到永磁同步电机无传感器矢量控制策略下永磁转子速度及位置信息的获取当中。为获取精度较高的状态估计,设计了具有变截止频率特性相位补偿的位置及具有自适应调节率的转速滑模观测
器,理论分析表明这类观测器对参数变化具有极强的鲁棒性。仿真结果证明基于空间矢量脉宽调制供电技术的永磁同步电机双闭环无传感器矢量控制系统具有较好的动静态性能。
关键词:滑模观测器;永磁同步电机;空间矢量脉宽调制;虚拟传感器;无传感器矢量控制
1 引 言
永磁同步电机是近年来发展较快的高性能控制电机,由于使用电子换向取代机械换向这使其应用范围得以极大扩展。作为一种自控变频式交流电机,其控制严格取决于永磁转子位置及速度信息的获取,传统的方法是同轴加装电磁式或光电编码式位置传感器;基于成本及可靠性等方面的考虑,近几年来此类电机的无传感器控制技术获得了较快的发展[1, 2]。本文在分析一类非线性系统基于扰动滑模状态观测器设计思想的基础上,设计了PMSM(permanentmag-net synchronousmotor)建立在α-β等效两相定子静止坐标系上非线性数学模型的转子位置及速度滑模状态观测器,理论分析及仿真研究证明此类观测器对参数变化具有极强的鲁棒性,基于虚拟观测器的双闭环矢量控制系统具有较好的动静态性能。
2 基于扰动的SMO设计基本思想
考虑一般非线性系统(不妨假设系统存在不可忽略的输出输入干扰项f1、f2)对这样的一般非线性系统,滑模观测器设计基本理论可设计结构的状态观测器,其中:Ψ为滑模变结构控制器,符号Σ表示信号的复合。滑模变结构观测器是在充分掌握系统结构信息的基础上将原实际系统的输入u及输出y作为该系统的两个输入或扰动量,通过适当设置切换函数将状态的偏差或其线性函数作为滑模面使系统的偏差按滑模运动渐进于零,这就达到了状态估计与跟踪的目的。
但这里存在的问题是:对于图1所选取的非线性滑模超曲面,分析其滑模可达性及设计变结构控制策略还是一个没有解决的理论问题。因此考虑经
过坐标变换或输入输出浸入等方法能使系统(1)化为线性部分能观测的一类特殊系统(2)的滑模观测器的设计问题。同样是滑模变结构控制器。此时,观测器就成为输出反馈的滑模变结构控制系统。在该系统中,原实际系统的输入量经坐标变换后得到的g(Φ(x))u作为观测器系统的外部未知扰动之一,而原实际系统的输出量则作为观测器的参考输入;非线性函数向量η(y)也可视为外部的扰动;滑模观测器设计的任务就是在扰动P(t)的作用下,以s=e=y-y^=0作为滑模面求取滑模控制律使得输出反馈系统沿滑模面趋近于零运动。对熟知的PMSM系统方程的分析可知,可将Clarke变换(即由定子静止三相坐标系abc的模型方程→定子等效两相坐标系αβ的模型方程)视为上述非线性坐标变换,则经过这样的坐标变换就把非线性耦合十分严重的原系统转换为线性部分能观测的部分非线性系统。这正是依据滑模变结构理论设计此类系统位置/速度观测器的直接理论依据,以前鲜有这方面的文献报导。
3 PM SM高性能滑模观测器设计
滑模切换增益k(Ksw=kI2×2)的选取应在保证能产生滑动模态的前提下尽量减少反电势估计值e^α和e^β的波动量。这里存在的矛盾是,为了在电机的全部转速范围内都能产生滑动模态需要设置较大的切换增益;另一方面,为了较少反电势估计值的脉动量又要尽可能使k小一些。因此,可以根据电机的转速实时调整切换增益值:k =k0ω。这样在低速时由于反电势幅值较小可以设置较小的切换增益值;而高速时则可以获得较大的切换增益。
4 仿真研究及结果
4·1 双闭环控制器设计
为了获得高性能的转矩控制效果,分别设置转速外环及电流内环的双闭环调节器,外环速度控制所需要的转子转速及矢量变换所需要的转子位置信息由基于滑模观测器技术的虚拟传感器提供。
基于旋转坐标系的电机的电磁转矩为Te=(3PKEi*q)由此可以确定转速外环转矩的给定及交轴控制电流的生成。图5中惯性积分调节器参数Kp、Ki及惯性时间常数τ的选择使产生的转矩比较平滑;为了限制电机工作在额定转速以下,在此环节引入饱和限幅模块;同理可得到电流控制环的基本设置。
4·2 功率驱动电路设计
功率驱动电路采用正弦电压空间矢量脉宽调制技术(space vector PWM, SVPWM)的三相静止逆变器,其特点是将逆变器和电动机看成一个整体来
处理,便于微机实时控制,并具有转矩脉动小、噪音低、电压利用率高的优点,这使其特别适合于PMSM这类高功率密度电机的驱动。
为便于本文所研究问题需要较高品质逆变电源的需要及有效减少定子侧电流的谐波含量,在此采用二电平的SVPWM控制技术,调制方式采用连续
开关调制模式;载波是周期为Ts(本例Ts=0·0002s),高度为Ts的三角波。
5 结束语
本文重点研究了一类非线性系统经坐标变换得到线性部分能观测系统的滑模观测设计问题并将其应用到永磁同步电机建立在等效两相静止坐标系方程的转速及位置角的观测器设计当中。设计了具有变截止频率相位补偿及自适应策略转速估计的滑模观测器,在此基础上建立了PMSM系统整套矢量控制的MATLAB验证程序。仿真结果证明基于空间矢量脉宽调制供电技术及滑模观测器技术的PMSM矢量控制具有较好的动静态性能。
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