摘要:将用于预测永磁同步电机转子位置和转速的滑模观测器进行了改造,并构建了无位置传感器的矢量控制系统;并在此基础上提出了一种用于补偿转子位置角预测误差的改进方法。最后用Matlab仿真验证了算法的有效性,对结果进行了分析讨论。
关键词:表面式永磁同步电机;改进滑模观测器;无位置传感器;相位补偿策略测器
目前SPMSM无位置传感器的矢量控制系统中,估算转子位置角的主要方法有:基于反电动势的方法;基于观测器的方法;基于电机物理特性的方法[1]。文献[2][3]使用了第一种方法,通过对转速的积分来获得转子位置角,然而获得的信号易受参数扰动、积分器漂移等影响,补偿也存在问题。文献[4][5]提出了基于电机模型的观测器方法,设计合理的观测器能抗参数扰动,但是易受测量噪声的影响。同样,基于卡尔曼滤波的观测器理论上能很好地预测转子位置并且抗测量噪声干扰,但这种方法属于计算密集型,耗时大、模型协方差矩阵整定难度大、实用困难。由于具有对参数变化不敏感、对外部扰动具有鲁棒性以及快速的动态响应特性,滑模控制已在电机控制中得到了很好的应用[3][4]。滑模观测器同样具有滑模控制器的鲁棒性,可以用于估计控制系统的状态变量[5][6]。本文在传统的滑模观测器的基础上,对转速预测方法和角度补偿方法进行了改进,提高了系统的性能。滑模电流观测器由基于电机模型的电流观测器和被预测电流和实际电流误差驱动的砰—砰控制器组成。
滑模观测器将经典的林伯格观测器的中的状态变量的误差值用误差值的符号代替,获得了在小反馈增益情况下具有内部高增益,增加了对内部
参数扰动和电流波形畸变的鲁棒性。由于使用了线性低通滤波器,加上滑模观测器的计算延进及其他因素造成相位延迟,在高速时将严重影响系统性能,因此心须对估算的角度进行补偿。
带滑模观测器的永磁同步电机矢量控制系统由滑模观测器、转速PI控制器、带前馈控制项的d轴PI控制器、q轴PI控制器、空间矢量调制的逆变器等组成。
由于采用的估算转子位置的方案需要定子电流和定子电压信号,因此在静止时无法获得转子位置信息,无法直接启动。在实际的控制系统过程中,
可采用开环启动方式,即在电机启动时,保证电枢合成磁动势超前或滞后转子位置角90°,保证电机按指定的正转或反转方向平衡地低频启,然后逐步提高逆变器的输出频率,使定子旋转磁场和转子磁场保持同步,再将系统切换到滑模观测器状态运行。
为了验证本文提出的方案,采用Simulink进行了仿真研究。在模型中设定初始转矩1.5 N·M,在0.25 S时跳变至3.0 N·M。图3至图8分别是电
机输出转矩、负载相电流、d轴PI调节器输出uds_fb波形、预测反电动势、补偿器前后的转子位置角、预测后角度及其误差等波形图。
提出的无位置传感器的矢量控制以及转子位置角补偿方案性能良好,滑模观测器的计算负荷小,易于工程化,从而为设计PMSM控制系统,降低系统成本,提高系统可靠性提供了一种新思路。
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