基于滑模变结构控制的开关磁阻电动机控制系统
马丽，李继生，王臻(天津科技大学，天津)
摘要：提出了一种基于滑模变结构控制的滑模观测器无位置传感器控制方法，实现对电机转子位置及转速准确估测，设计了以TMs3202407A为控制核心的开关磁阻电动机控制系统，给舟：了系统的硬件电路及软件设计，仿真实验结果表明，该系统提高了电机动态性能，具有较强的鲁捧性和可行眭=关键词：开关磁阻电动机；DsP控制器；滑模观测器
0引 言
开关磁阻电动机(以下简称sRM)结构简单，性能优越，覆盖功率范围以10 w～5 Mw的各种高低速驱动调速系统，在各种需要调速和高效率的场合得到广泛应用。
转子位置检测是sRM控制系统(以下简称sRD)的关键环节。传统的光电编码器检测方法使sRD结构复杂，同时增加了系统成本。同传统位置检测技术相比，无位置检测技术具有以下优势：机械结构简单；不存在机械误差；可靠性高及抗环境干扰能力强等。因此，无位置传感器的研究势在必行。
国内外提出了许多无位置检测方案.然而，目前的无位置检测方法都有不足之处，例如注入脉冲信号法容易实现，但也易产生制动转矩，影响电机效率；磁链法需要高内存处理器存储足够分辨率的关系表。
本文介绍一种基于滑模变结构控制的滑模观测器(sliding M0de Observer，sMO)无位置检测方法，只需电机终端电压值和电流值，不需附加任何硬件，在整个调速范围内都有可靠的性能，并有较高的分辨率和准确性。
我们选用TMs320LF2407A作为主控芯片，深入研究了sRD系统的调速特性及控制方式，实验表明．加入滑模观测器后，提高了系统响应速度和系统稳定性，转速和转子位置的估计值与实际值的误差较小，对电机参数变化以及负载扰动具有较强的鲁棒性。
l滑模观测器无位置检测控制技术
1．1滑模变结构控制滑模变结构控制与常规控制的区别关键在于控制的不连续性，即--种使系统“结构”随时变化的开关特性，迫使系统沿规定的状态轨迹作小幅高频上下运动，也就是滑动模态或“滑模”运动。该滑模运动与系统的参数及扰动无关。所以，处于滑模运动的系统具有较强的鲁棒性。
滑动模态数学表达式：
2 SRD系统设计
2．1系统硬件设计
图1为sRD无位置传感器调速系统框图，本系统采用无位置检测方案，硬件部分无需位置传感器，降低了成本
控制系统以TM320LF2107为主控制器；功率变换器负责为sRM提供运转的能量，控制SRM相绕组电源开通和断开以及为相绕组的储能提供回馈路径。本系统选用分裂式直流电源功率变换器。开关器件采用PwM电流斩波控制并选取25 A／1 200v IGBT为主开关器件：驱动电路选用日本富士公司的ExB841作为驱动模块，驱动电路DsP输出采用低电平有效。电流传感器主要实现检测相绕组电流和过电流保护功能，本设计采用有四个引脚的霍尔元件电流传感器，由于sRM的间隔相不会同时通电，所以系统只需两个电流传感器，电流检测选直测式霍尔电流传感器csolOG，电流传感器的输出电压经放大整形输入至控制器ADcIN引脚。
2．2软件设计
系统控制程序主要包括初始化程序和主程序，如图2所示。
初始化程序包括DsP系统初始化、事件管理器初始化、中断初始化等。初始化程序主要对系统硬件进行初始化以及有关控制标志及开关量、工作模式、中断系统等进行初始化处理使其符合设计要求。主程序包括主循环程序、定时中段服务程序以及捕获中断服务程序等。其中定时中断服务程序是该控制系统的核心部分，中断服务程序重要功能是实现电机的实时控制，由cPu的可屏蔽中断INl2引起。本控制系统由已周期中断触发INT2中断，从而起动定时中断服务程序。此子程序中包括ADc转换程序、电流PwM调节程序以及转速PI调节程序等。
3试验
为了提高系统响应速度和稳定性，减小转速和转子位置的估计值与实际值误差，运用滑模观测器无位置传感器控制策略，加入位置估测环节对系统
图3a和图3b分别为没有加入sMO和加入sMO后的转速波形。从图中可以看出，加入sMO后系统响应速度变快了，由原来的0 3 s进入稳态提高为O 2 s，而且没有加入SM()的系统在初始阶段转速蓝线较不平滑。由此可见，加入SM(]后，不但提高了系统的响应速度，而且提高了系统的稳定性，更符合sRM调速系统控制要求。
图4中两条曲线一条代表电机转速和转子位置实际值，另一条为SM()的估测值。实际值和估测值之间误差很小，从而实现了电机转速和转子位置的估测，说明基于滑模变结构控制的SMC)更符合无位置传感器检测技术的要求，是控制效果更好的位置检测方案。
图5为系统进入稳态后，突加突减电流扰动时的速度和位置波形。在O．32 s和O 39 s突加、突减扰动，转速估测误差在O．32 s与O．39 s之间略有增加，但误差值仍比较小，估测值仍然有效。转子位置的估测值几乎不受扰动的影响。
4结语
本文基于sRM的状态方程及滑动模态的数学方程，分析了滑模变结构控制基本原理，将滑模变结构控制策略应用于sRM转子无位置检测技术中，设计了滑模观测器以及以TMs320IF2407数字信号处理芯片为核心的sRM控制系统。实验证明，加入滑模观测器的sRM控制系统能够对转子位置及转速进行较准确的估测，提高系统响应速度及稳定性，而且对突加扰动具有较强的鲁棒性。该转子无位置控制策略简化了系统结构，降低了成本，提高了电机的动态性能，为sRM的实际应用提供了有利条件。
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