摘 要:将滑模状态观测器和空间矢量脉宽调制技术应用于永磁同步电机无传感器矢量控制中。根据永磁同步电机的数学模型,设计了一个滑模状态观测器用于估算电机转子位置和速度,建立其自适应规律并采用李亚普诺夫理论对其稳定性进行了分析。该方法对电机参数变化不敏感,具有较强的鲁棒性。系统采用空间矢量脉宽调制技术进行脉宽调制以减小转矩脉动,实验结果表明,滑模变结构状态观测器能够在较广速度范围内追踪转子实际位置,实现对转轴位置的观测,从而实现了永磁同步电机的无传感器磁场定向控制。
关键词:滑模观测器;矢量控制;空间脉宽调制;永磁同步电动机;实验
滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略[1]。这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统结构随时变化的开关特性。该控制为控制系统预先在状态空间中设计一个特殊的切换面,利用不连续的控制规律,不断地变换系统的结构,即在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率上下运动。迫使系统的状态沿着这个特定的切换面向平衡点滑动,最后渐进稳定于平衡点或平衡点的某个允许的领域内,即滑动模态运动,滑模变结构控制不需要知道系统的数学模型,对数学模型精度要求不高,具有降阶、解耦的功能。系统一旦进入滑模状态,系统状态的转移就不再受系统原有参数变化和外部扰动的影响,具有很强的鲁棒性,因此在交流调速系统控制领域展示了良好的应用前景。近年来,电机的空间矢量理论被引入电机控制系统中[2],形成了空间矢量脉宽调制技术SVPWM)。其原理就是利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合,使逆变器的输出空间电压的矢量运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM能够明显地减小逆变器输出电压的谐波成分,降低转矩脉动,而且有较高的电压利用率,更易于数字实现,应用前景十分看好。
PMSM把永磁体作为转子,三相A, B, C对称绕组作为定子,在定子三相绕组中通以相位相差120°的三相交流电,产生旋转的定子磁场,该磁场与永磁体励磁场相互作用产生电磁转矩。一般根据滑模存在性和可达性的条件,系统正常运行段的动态品质要求和滑模运行段的动、静特性要求,可获得理想的滑模控制观测器。滑模变结构控制系统运行过程中通过对切换函数S符号的判别,不断地切换控制量来改变系统的结构,以使系统状态变量运动到事先设计好的切换面S=0上,然后系统沿切换面运动。面装式PMSM滑模观测器是对定子电流进行估计,然后与采样得到的实际电流值进行比较,通过对其误差来切换控制量改变系统的结构,以达到上述控制目的。
本文将滑模状态观测器和空间矢量脉宽调制技术应用于永磁同步电机无传感器矢量控制中。根据永磁同步电机的数学模型,设计了一个滑模状态观测器用于对永磁同步电机转子位置和速度估算,建立其自适应规律并采用李亚普诺夫理论对其稳定性进行了设计。该方法克服了传统基电机模型的无位置传感器控制方法对电机参数的依赖性,对电机参数具有较强的鲁棒性,并采用空间矢量脉宽调制技术进行脉宽调制以减小转矩脉动。实验结果表明,滑模变结构状态观测器能够在较广频率范围内追踪实际信号,实现对转子位置的观测,从而实现了无传感器磁场定向控制。
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