无速度传感器的永磁同步电动机滑模控制

    李渊^1,2，何凤有¹，余跃¹

(1中国矿业大学，江苏徐州221008；2江苏大学，江苏镇江212013)

    摘要：采用反演控制理论构造了永磁同步电动机的速度观测器，并运用滑模变结构控制理论设计了系统控制策略。该方法利用，反演控制稳定性强，动、静态性能优良的特点，设计的观测器结构简单、精度高、稳定性好。使用滑模控制理论没计系统总体控制方法，可以有效抑制负载和参数变化带来的扰动，从而提高了系统的鲁棒性。文章对所提出的控制策略进行了理论分析，并且通过Matlab进行仿真实验一仿真结果表明，该控制方法有效地实现了电机的转速跟踪，具有良好的动、静态特性和鲁棒性。

    关键词：水磁同步电动机；无速度传感器；滑模控制；反演控制

    中图分类号：TM34l    文献标识码：A    文章编号：1004—7018f2加9)12—0045—03

O引  言

    永磁同步电动机(以下简称PMsM)具有体积小、结构简单、可靠性高、调速性能优良和鲁棒性强等优点，被广泛应用于各种高精度调速控制系统中。然而，由于PMsM调速系统本身的非线性以及电机参数不准确等因素，使得对其实现高精度控制成为一个复杂的问题。

    无速度传感器控制是现代交流调速的一个重要发展方向。目前已有学者将扩展卡尔曼滤波、模型参考自适应、高频注入和神经网络等控制方法应用于PMsM的控制中，并且取得了较好的效果^[1]。

    本文采用反演控制方法设计和研制了PMsM的转速观测器。由于反演控制具有稳定性强，动、静态特性优良的特点，因此基于该方法设计的转速观测器具有精度高、稳定性好、动态反应迅速等优点。此外，为了提高系统抑制电机参数变化和负载变化带来的影响，系统的总体控制策略采用滑模变结构控制，从而有效地提高了系统的抗干扰能力。文中详细分析了所提出的控制策略，并通过仿真验证了控制方法的有效性。

1 PMsM数学模型

    本文采用的PMsM数学模型以同步旋转转子坐标为基础，并且假设交、直轴电感相等，即L_d=L_q=L^[2]：

式中：u_d、u_q为d、g轴定子电压；i_d、i_q为d、q轴定子电流；R为定子电阻；L为定子电感：TL为负载转矩；J为转动惯量；B为粘滞摩擦系数；P为极对数；ω为转子机械角速度；Ψf为永磁磁通。

2控制系统设计

    由于定子电流直轴分量给定为零，所以定义^[3-6]:

3  无速度传感器设计

   系统速度ω的值使用反演控制方法构造获得. 令:ω=ω-ω,ω为电机转速的观测值,ω为观测值与实际值的误差^[7].

     应用反演控制方法定义子控制系统的Lyapunov函数:

4系统仿真分析

    系统总体框图如图l所示。其中电机参数为：定子电阻R=3Ω；极对数p=2；转动惯量，=O．001kg.m2；永磁磁通Ψf=0.8 wb；定子电感为L=0.006 H，粘滞摩擦系数为B=O．000 l。

    由于控制器需要速度给定信号的一、二阶导数因此仿真系统中采用了如图2所示的方法来平滑地输出阶跃给定信号及其一、二阶导数号[8]。图中a1=8 500，a2=0．02。    

      控制器中相关参数取为:μ1=50;μ2=80;c=l 500；σ=O．1 图3表明了系统转速跟踪阶跃给定的性能。当t=0．3 S时，给定转速由100 r／min升至120 r／min：在t=0．6 s时，给定转速由120 r／min升至130 r／从图3a中可以看出系统能精确地跟踪给定转速。图3b中上半部分反映了估计转速与给定转速的误差，下半部分反映了估计转速和实际转速之间

的误差。

    图4表明了系统转速跟踪正弦信号给定的性

能。其中系统的速度给定为正弦信号(幅值为30 r／min，周期为8 s)。同样，图4b中上半部分反映了估计转速与给定转速的误差，下半部分反映了估计速和实际转速之间的误差。

    图5表明了系统在负载及电机参数变化条件下系统的各种性能。其中，t=0 3 s时，负载转矩由0升至10 N·m；在t=0.6 8时，给定转速由10 N-m降回0。r=0 5 s时，电机定子电阻由R=3 n变为R=6 Ω，粘滞摩擦系数由B=0．000 l变为B=0 000 2。从图5a中可以看出系统对负载和参数变化有着良好鲁棒性。图5a的局部放大图表明了t=0 3 s和t=0．5～0 6 S时的转速变化情况。图5b表明了上述条件下定子电流由轴分量的变化曲线。

    本文采用了反演控制方法设计和实现了永磁同步电动机控制的转速观测器，并利用滑模控制理论设计了系统总体控制方案。通过仿真对其进行验证。仿真表明这种控制方案具有出色的动、静态特性以及良好的鲁棒性。