基于磁鏈觀測器的永磁同步電動機無傳感器控制技術(shù)研究.pdf

1、永磁同步電動機（PMSM）具有體積小、效率高、可靠性高以及對環(huán)境適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點，在各種高性能驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁同步電動機無傳感器控制技術(shù)不但能夠降低系統(tǒng)成本，而且能夠增加系統(tǒng)可靠性，是當(dāng)前電機控制技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。無傳感器控制技術(shù)的研究在高速電機、微型電機、航空航天、水下機器人、家用電器等一些特殊場合具有重要意義。本文以永磁同步電動機擴展?fàn)顟B(tài)滑模觀測器為研究重點，對磁鏈觀測技術(shù)、參數(shù)誤差影響、高階滑?？刂啤⑽恢煤退?/p>

2、度估算及觀測器實現(xiàn)方法等進行了深入研究，并進行相應(yīng)的仿真和實驗分析。
　　傳統(tǒng)滑模觀測器是建立在以電流為狀態(tài)變量的二階狀態(tài)方程基礎(chǔ)上，進行PMSM反電勢觀測，此時滑模控制率由符號函數(shù)組成，在數(shù)字實現(xiàn)時存在嚴(yán)重抖振現(xiàn)象，觀測結(jié)果無法直接使用。使用低通濾波器會引起觀測值幅值和相位發(fā)生變化，無法忽略并難以進行精確補償。
　　本文在分析表貼式永磁同步電動機電壓方程和磁鏈變化規(guī)律基礎(chǔ)上，建立以電流和磁鏈為狀態(tài)變量的四階擴展?fàn)顟B(tài)方程，提

3、出擴展?fàn)顟B(tài)滑模觀測器。在觀測器電流方程部分，以電流偏差建立滑模面，采用滑模面的符號函數(shù)構(gòu)成滑模控制率作為輸入，并利用Lyapunov定理證明廣義滑模可達性，進一步得出滑模增益矩陣自適應(yīng)率。在觀測器磁鏈方程部分，將滑模控制率乘以反饋矩陣作為輸入，當(dāng)滑模運動發(fā)生后，磁鏈誤差漸近收斂到零。該觀測器的特點是，滑?？刂坡手卸墩窨梢员淮沛湻匠虨V波而不影響觀測值，因此可使用磁鏈觀測值直接進行轉(zhuǎn)子位置和速度計算，避免了額外采用低通濾波器所帶來的相位變化

4、。同時觀測器引入了轉(zhuǎn)子角速度作為參數(shù)，該參數(shù)是時變的且在動態(tài)過程中將會存在一定誤差。根據(jù)此誤差存在時磁鏈觀測應(yīng)相互解耦原則進行選擇反饋矩陣，可保證觀測器中轉(zhuǎn)速參數(shù)存在誤差時也可以正確地計算出轉(zhuǎn)子速度。
　　由于內(nèi)嵌式永磁同步電動機在靜止坐標(biāo)系下的電壓方程中電感系數(shù)是時變的，無法直接應(yīng)用上述觀測器。本文通過對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電壓方程做適當(dāng)變換，推導(dǎo)出靜止坐標(biāo)系下含有時不變參數(shù)的狀態(tài)方程。通過定義等效磁鏈，可以將基于靜止坐標(biāo)系下的觀測器技術(shù)

5、應(yīng)用在內(nèi)嵌式永磁同步電動機中進行轉(zhuǎn)子角度和速度的估算，并近一步利用Lyapunov定理推導(dǎo)出參數(shù)取值方法。
　　由于測量方法或工作狀態(tài)的變化，觀測器中參數(shù)將會存在一定誤差。本文著重分析角速度誤差存在時磁鏈觀測結(jié)果變化規(guī)律，推導(dǎo)出幅值和相位變化與轉(zhuǎn)速誤差大小和觀測器反饋矩陣的關(guān)系。對于定子電阻和電感誤差，通過分析得到磁鏈觀測誤差與與電流相位關(guān)系，結(jié)合交流電機矢量控制理論中電流和磁鏈的相位關(guān)系，推導(dǎo)出磁鏈觀測值實際值之間的相位關(guān)系，即

6、轉(zhuǎn)子角度估算值與實際值之差。
　　磁鏈觀測的目的是計算出轉(zhuǎn)子角度和速度，本文采用一種基于鎖相環(huán)的方法計算磁鏈周期和相位，從而得到轉(zhuǎn)子角度和速度，該方法具有動態(tài)響應(yīng)快和低通濾波等特點，可減小磁鏈觀測值擾動影響。轉(zhuǎn)子速度估算動態(tài)響應(yīng)與觀測器和鎖相環(huán)有關(guān)，進一步分析了觀測器和鎖相環(huán)參數(shù)對角速度估算暫態(tài)影響。對于電機在零速時起動問題，采用虛擬位置和電流閉環(huán)控制相結(jié)合的起動策略，并說明了速度閉環(huán)切換方法。
　　為進一步提高轉(zhuǎn)速閉環(huán)動態(tài)

7、響應(yīng)，本文在傳統(tǒng)滑模面基礎(chǔ)上引入非線性滑模面，并選取適當(dāng)控制率，構(gòu)成二階非奇異終端滑模觀測器?？刂坡屎虚_關(guān)函數(shù)的積分形式，與原有直接含有開關(guān)函數(shù)相比抖振現(xiàn)象大大減小，并利用Lyapunov定理證明了觀測器的穩(wěn)定性，推導(dǎo)出參數(shù)取值方法。由于抖振的減小，可增加觀測器帶寬，從而提高速度閉環(huán)動態(tài)響應(yīng)。
　　對無傳感器永磁同步電機數(shù)字控制系統(tǒng)硬件和軟件進行設(shè)計。以該控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，給出擴展?fàn)顟B(tài)滑模觀測器的離散方法和實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，以及基于MAT