基于滑模状态观测器和SVPWM的无传感器永磁同步电动机控制研究
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。
引 言
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。
1 面装式PMSM数学模型
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。假设PMSM磁路为线性,忽略铁心损耗,所有绕组产生的磁动势波和磁场在空间都按正弦分布,则可得在同步旋转d-q坐标中PMSM电磁转矩为:
在实际系统中,除滑模的存在性和可达性外,还要求系统的滑模运动是渐近稳定的且具有良好的动态品质。为研究这一问题,需建立滑模运动的微分方程。对非线性系统来说,这是一个比较复杂而困难得问题。这里根据等效控制的方法来研究。当状态点到达S=0这一滑模切换面时,系统就开始滑模运动。误差动态方程性能便完全由滑模运动来决定了,此时应有:
4 试验结果
按照图1所示的永磁同步电机无传感器控制系统结构框图,在实验中选择的电流采样频率为15 kHz,转速采样频率为1.5 kHz,为比较估计得到的转子位置和实际转子位置之间是否一致,采用自带编码盘的永磁同步电机。电机额定转速2 000 r/min,额定转矩7.5 N.m,转矩常数1.21 N.m/A,工作电流7.5 A,短时最大电流14 A,额定功率1.57 kW。硬件设计采用DSP+IPM的模式。DSP采用TMS320F2812。IPM采用PM25RLA120。测试的方式采用软件方法。在TMS320F2812的扩展内存中开辟4片2048×32 bit的缓冲区,然后每个采样周期在缓冲区中记录需要观测的数据(或者几个采样周期记录一次),通过串口传送到PC中,最后在Matlab中进行显示分析。
图4所示为电机在1 000 r/min达到稳态后所采集到的A相定子电流。由于滑模控制是通过高频开关改变系统的结构来使系统在切换面上滑行,从而达到所设计的性能要求,所以输出电流会包含高频的开关信号。从图中可以看到A相电流正是正弦基波分量与高频的开关分量的叠加。
图5为电机在1 000 r/min达到稳态后所采集到的转子位置估计值和电机自带的编码盘的波形。图中上方的波形为转子估计值,下方为实际转子位置。从图中可以看出转子位置估计位置和实际位置之间还是存在一定的误差,并且转子估计位置通过滤波器滤除开关信号中的高频分量获取的因此存在一定的相位滞后。下一步可以通过采用相位补偿的方法进行优化算法。
5 结 论
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于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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