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永磁同步电机系统的无速度传感器研究

32 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2017年第36卷第2期 DOI:10.13873/J.1000-9787(2017)02-0032--03 

永磁同步电机系统的无速度传感器研究 张志伟,张天一 (天津大学电气与自动化工程学院,天津300072) 

摘要:为了提高永磁同步电机系统的抗干扰能力,提出一种无速度传感器方法,用于速度辨识。将滑模 (SM)变结构控制与模型参考自适应系统(MRAS)方法相结合,选取电机本体作为参考模型,利用逆变器 输出的电压和电流,构建基于磁链方程的可调模型,利用两模型误差运用SM变结构方法辨识速度。在 Maflab仿真平台对无速度传感器方法进行了分析,研究结果表明:所提出的无速度传感器方法具有较好的 动静态性能,可以实现对速度的准确辨识。 关键词:永磁同步电机;滑模变结构;模型参考自适应系统;无速度传感器 中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2017)02-0032-03 

, Research on speed sensorless of permanent magnet synchronous motor system ZHANG Zhi-wei,ZHANG Tian—yi (School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China) 

Abstract:In order to improve capacity of resisting disturbance of the permanent magnet synchronous motor system,a speed sensorless method is proposed for speed identification.Sliding mode(SM)variable structure control and the model reference adaptive system(MRAS)method are combined together.Through selecting the motor body as reference model and using the output voltage and current of the inverter,the adjustable model based on flux equation are established.The speed is identified based on the two model error,using SM variable structure method.In the Matlab simulation platform,the speed sensorless method is analyzed.The results show that the proposed sensorless method has better dynamic and static performance and can accurately identify speed. Key words:permanent magnet synchronous motor;sliding mode(SM)variable structure;model reference adaptive system(MRAS);speed sensorless 

0 引 言 为了实现对永磁同步电机系统控制的目的,工业的控 制系统一般会安装速度传感器,这会使永磁同步电机系统 的性能依赖于速度传感器。一旦速度传感器故障或者速度 传感器传出的转子位置信号失准,就会导致控制失败。同 时,速度传感器也会增加系统的成本,影响系统的可靠性。 从这个角度来看,转子速度信号利用控制方法来实现将成 为降低永磁同步电机系统风险的一个有效的后备解决方 案。事实上,利用控制方法实现对永磁同步电机转子速度 检测的方法,即无速度传感器控制法,已经成为重要的研究 方向 , 。 目前无速度传感器控制方法主要有:基于反电动势算 法、高频注入法、扩展卡尔曼滤波器法、滑模(SM)观测器 法、模型参考自适应系统(MRAS)法等控制方法 。在诸 多无速度传感器控制技术中,MRAS具有结构简单,运算 收稿日期:2016-06-21 量低等优点,成为一种常用的无速度传感器控制方法 。 传统MRAS方法存在PI控制器调节困难问题,并且受系统 参数变化及工作情况变化影响难以达到最佳性能。 本文在传统MRAS控制方法的基础上将SM变结构控 制与MRAS相结合,提出了一种基于SM—MRAS速度观测 器的无速度传感器控制策略。该无速度传感器技术通过 SM—MRAS转速观测器,实现对速度准确估计,省去了速度 传感器环节。最后在永磁同步电机系统平台对无速度传感 器控制策略进行验证,研究结果表明所提出的无速度传感 器控制策略的有效性。 1 无速度传感器方法的工作原理 无速度传感器控制策略一般基于矢量控制实现永磁同 步电机无速度传感器控制。永磁同步电机矢量控制方法主 要有:i =O控制,功率因数COS =l控制,最大转矩电流比 控制等。这些矢量控制方法中,i =O控制方法简单,计算 第2期 张志伟,等:永磁同步电机系统的无速度传感器研究 33 量小,不存在由于电枢反应对永磁同步电机的去磁问题,被 较为广泛使用。因此,本文采用i =0矢量控制方法对永 磁同步电机进行控制。 基于i =O矢量控制的无速度传感器控制结构框图如 图l所示,主要由六部分组成:1)速度和电流控制器;2)坐 标变换模块;3)空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块;4)逆变 器单元;5)SM—MRAS速度观测器;6)永磁同步电机 (PMSM)。 

图1 无速度传感器控制框图 控制器的功能是根据反馈的速度和电流信号计算出给 

定的电压信号;坐标变换模块的功能是利用坐标变换理论 实现永磁同步电机数学模型的转换,简化控制过程;SVP— WM模块的功能是根据电机运行情况计算出逆变器的开通 和关断信号;逆变器单元的功能是根据SVPWM模块提供 的开关信号,正确开通和关断逆变器中的绝缘栅双极型晶 体管(IGBT),输出电机需要的三相正弦电压。SM—MRAS 速度观测器的功能是根据定子电流和定子电压计算出速度 信号,反馈给控制器。 2基于SM-MRAS的无速度传感器方法设计 2.1基于MRAS的无速度传感器方法 MRAS法是将系统模型作为参考模型,结合辨识速度 与系统模型关系构建可调模型,然后将两模型的输出的误 差信号经过PI控制器反馈到可调模型中,从可调模型得到 辨识的速度信号,基于MRAS的速度观测器结构框图如图 2所示。 

图2基于MRA¥的速度观测器框图 p[::]=[_二 一二 ](::]+[ + / ] 

(1) 式中 , 为d,q轴的磁链分量;R 为定子电阻;L 为定 子电感;OJ 为转子角速度; d和“ 为d,q轴的电压分量; 为永磁体磁链;p为微分符号。 根据式(1)中的磁链方程,可调模型为 

付 -R/三 一 一R/,J 册 “d+ f/L (2) 式中 和 为d,q轴的磁链分量估计值; 为转子角速 度。 根据Popov稳定性理论,基于磁链可调模型的传统 MRAS控制策略得到的转子角速度为 

=k ( a 一 )+ 。J( a・此一 ) (3) 式中k。和ki为正系数。 2.2基于SM—MRAS的无速度传感器方法 基于单一MRAS控制方法的速度观测器采用PI控制 器调节获得速度,PI参数较难调节,当系统参数发生变化 时,定参数的PI控制器难以到达最佳性能。SM变结构控 制有很强的鲁棒性,受系统参数变化影响小。本文提出 SM.MRAS速度观测器,采用SM变结构控制方法代替PI控 制,使速度观测器设计更简单,鲁棒性更强,基于SM-MRAS 的速度观测器结构框图如图3所示。 

图3基于SM-MRA¥的速度观测器框图 SM变结构控制是通过高频切换控制刻意地改变系统 

结构,从而将系统状态限制在SM面上。根据这一原则,设 计SM面s为 s= a 一 (4) 则滑模面s的导数为 

.^ . = a・圾+ a -0a 一・ (5) 

采用常值切换控制阀,估计速度为 击 =Msign(s) (6) 式中 为正常数,sign为符号函数。 将式(6)代入到式(5)可得 

s= ∞。, a, , , )一M( a + )sign(s)(7) 当 取足够大值时,一定可以使SM面满足Lyapunov 稳定性条件,即满足下式条件 <0 (8) 根据SM变结构控制的基本思想,如果系统进入滑动 模态控制,即 =0,则此时等效速度为 

(3 =[0 +2R/L ( d‰一 )+ ( d一 )+ 

( +R / )( 一 )]/( d +OqO ) (9) 从式(9)可以看出,当电机估计磁链与实际磁链相等 时,等式第二项和第三项为0,则等效速度收敛到真实速 

\、●●●●● / ,,,.. 。,.........一/ 

,,,..。........... 传感器与微系统 第36卷 度。根据式(6),估计速度是SM面的离散函数,其低频分 量即为真实速度。因此,当高频分量反馈给观测器后,低频 分量可以通过低通滤波器获得,即为电机速度。 3仿真分析 本文利用SIMULINK建立的仿真软件验证方法的有效 性。仿真系统中采用额定转速为50 r/min的永磁同步电 机,仿真步长为1O s,逆变器开关频率为5 kHz。 图4给出了额定速度为20 r/min阶跃到40 r/min,逆变 器直流侧电压为538 V,系统空载时,采用无速度传感器与 采用编码器检测速度的对比实验结果。 时I司/s 图4速度突变时实验结果 从图4可以看出,在给定速度信号存在阶跃时,采用无 速度传感器方法可以实现对速度的准确估计,具有较快的 动态响应特性,稳态速度平滑。 图5给出了额定速度为4O~-40 r/min,逆变器直流侧 电压为538 V,系统空载时,采用无速度传感器与采用编码 器检测速度的对比实验结果。 { 60 40 20 0 -20 40 -60 0 0.1 0.2 0.3 0.4 时间/s 图5速度反向时实验结果 从图5可以看出,在给定速度信号反向时,采用无速度 传感器方法可以实现与编码器几乎相同的跟踪特性,差异 较小,对系统速度估计准确。 ; ; \ ; (上接第31页) [6] Barawid O C,Mizushima A,Ishii K,et a1.Development of an an— tonomous navigation system using a two-dimensional laser scanner in an orchard application[J].Biosystems Engineering,2007, 96(2):139--149. [7]林桂潮,邹湘军,罗陆锋,等.改进随机样本一致性算法的弯 曲果园道路检测[J].农业工程学报,2015,31(4):168--174. [8] 陈军,蒋浩然,刘沛,等.果园移动机器人曲线路径导航 控制[J].农业机械学报,2012,43(4):179--182,187. [9] Subramanian Vijay,Burks F T,Arroyo A A.Development of ma. chine vision and laser radar based autonomous vehicle guidance systems for citrus grove navigation[J].Computers and Electronics in A culture,2006,53:130--143. . [1O]郝永军.果园打药机自动行走控制系统研究[D].保定:河北 农业大学,2013. [11]FreitasG,Hmrmer B,BergermanM,eta1.A practical obstacle de. 4结论 通过原理分析和实验结果表明:该观测器可以准确估计 系统速度,从而省去速度传感器实现无速度传感器控制,同 时通过将滑模变结构算法取代传统MRAS方法中的PI环 节,使系统无速度传感器控制更加简单,系统鲁棒性更强。 参考文献: [1]Bolognani S,Calligaro S,Petrella R,et a1.Sensodess control of IPM motors in the low・・speed range and at standstill by HF injec・- tion and DFT processing[J].IEEE Transactions on Industry Ap— plications,2011,47(1):96--104. [2]夏长亮,方红伟.永磁无刷直流电机及其控制[J].电工技术 学报,2012,27(3):25-34. [3]Qiao Zhaowei,Shi Tingna,Wang Yindong,et a1.New sliding— mode observer for position sensorless control of permanent magnet synchronous motor[J].IEEE Transactions on Industrial Electro— nics,2013,60(2):710--719. [4]ji Hoon Jang,Seung Ki Sul,Jung I K Ha,et a1.Sensorless drive of surface-mounted motor by hiSh—frequency signal injection based on magnetic saliency[J].IEEE Transaetons on Industry Application,2003,39(4):1031—1o39. [5]Bolognani S,Oboe R,Ziglitto M.Sensorless full—digital PMSM drive with EKF estimation of speed and rotor positon[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(1):184--191. [6] Kim Hongryel,Son Jubum,Lee Jangmyung.A high—speed sliding— mode observer for the sensorless speed control of a PMSM『J]. IEEE on Industrial Electronics,2011,58(9):4069—4077. [7] Bolognani S,Oboe R,Ziglitto M.Sensorless full—digital PMSM drive with EKF estimation of speed and rotor positon[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1999,46(1):184--191. [8]李瀛,胡立坤,梁冰红.采用MRAS速度观测器的异步电机 无电压传感器DTC研究[J].传感器与微系统,2015,34(6): 61--63. 作者简介: 张志伟(1990一),男,硕士研究生,研究方向为电机控制与电 力电子技术。 ) ; ; ≯ tection system for autonomous orchard vehicles[C]∥IEEE/RSJ Intemational Conference on Intelligent Robots and Systems,A1一 

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