基于改进滑模观测器的PMSM无位置传感器矢量控制系统.pdf

巧矿驱动筘嘿 叹持电棚2 0 1 0 q 第3 期 i 二么 iz m m a 勿 一 7 l 一冀j 二 一一 一 l基于改进滑模观测器的P M S M 无位置传感器矢量控制系统 金树强 南余荣 吴晓东 浙江工业大学 浙江杭州3 1 0 0 1 4 摘要 将用于预测永磁同步电动机转子位置和转速的滑模观测器进行了改造 并构建了无位置传感器矢量 控制系统 并在此基础上提出了一种用于补偿转子位置角预测误差的改进方法 最后用M a t l a b 仿真验证了算法的 有效性 对结果进行了分析讨论 关键词 永磁同步电动机 改进滑模观测器 无位置传感器 相位补偿策略 中图分类号 T M 3 4 1文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 7 0 1 8 2 0 1 0 0 3 0 0 4 6 0 4 P o s i t i o nS e n s o r l e s sC o n t r o lo fP M S M sb ya nI m p r o v e dS l i d i n gM o d eO b s e r v e r J I NS h u q i a n g N A NY u r o n g W UX i a o d o n g Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y H a n g z h o u3 1 0 0 1 4 C h i n a A b s t r a c t T 1 1 i sp a p e rp r e s e n t sa n e w l yd e s i g n e ds l i d i n gm o d eo b s e r v e rt oe s t i m a t et h ep o s i t i o na n ds p e e do fap e r m a n e n ts y n c h r o n o u sm o t o r P M S M a n da p o s i t i o ns e n s o r l e s sP M S Mv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e d A l s o a ni m p r o v e d p h a s e c o m p e n s a t i o ns t r a t e g y 惴p r o p o s e dt om i n i m i z et h eu n w a n t e dp h a s el a gm o s t l yi n t r o d u c e db yt h el o wp a s sf i l t e ro f t h es f i d i n gm o d eo b s e r v e r w h i c hi sr o b u s tt ou n k n o w np s r a m t e rv 耐a t i o n T h es l i d i n gm o d eo b s e r v e rs t r u c t u r ea n di t sc o m p o n s a t i o nm e t h o dw e r ed e s c r i b e d T os h o wt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e s i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u ta n dt h e r e s u l t sw e r ea n a l y s e da tl a s t K e yw o r d s P M S M i m p r o v e ds l i d i n gm o d eo b s e r v e r p o s i t i o ns e n s o d e s s p h a s e c o m p e n s a t i o ns t r a t e g y O 引言1 永磁同步电动机滑模观测器 i i目前 无位置传感器P M S M 矢量控制系统中 估算转子位置角的主要方法有 基于反电动势的方 i 法 基于观测器的方法 基于电机物理特性的方 法 文献 2 3 使用了第一种方法 通过对转速 的积分来获得转子位置角 然而获得的信号易受参 数扰动 积分器漂移等影响 补偿也存在问题 文献 4 5 提出了基于电机模型的观测器方法 设计合 理的观测器能抗参数扰动 但是易受测量噪声的影 i 响 同样 基于卡尔曼滤波的观测器理论上能很好 地预测转子位置并且抗测量噪声干扰 但这种方法 i 属于计算密集型 耗时大 而且模型的协方差矩阵整 定难度大 实用困难 由于具有对参数变化不敏感 对外部扰动具有鲁棒性以及动态响应快速等特性 滑模控制已在电机控制中得到了很好的应用 3 圳 i 滑模观测器同样具有滑模控制器的鲁棒性 可以用 于估计控制系统的状态变量 6 j 本文在传统的滑模观测器的基础上 对转速预 测方法和角度补偿方法进行了改进 提高了系统的 性能 收稿日期 2 0 0 9 0 8 2 7 4 6 滑模电流观测器由基于电机模型的电流观测器 和被预测电流和实际电流误差驱动的砰一砰控制器 组成 如图1 所示 E 叫基于电机I卜矗广 广 广 刷茎毅冀纠望H 墨H 嚣l I I 一 l 三习稀 图1P M S M 的滑模观测器结构框图 1 1 滑模电流观测器 观测器模型如下 百d i 碱 8 u e 一z 1 名 k s i g n i 一i 2 开关函数定义为 1 S 0 s i g n S 0 S 0 3 一1s o 砰一砰控制器输出z 的目标是使预测误差i i 趋于零 其取决于砰一砰控制器的增益的正确选择 和恰当的预测反电动势e 的形成 其中 带 的是 基于改进滑模观测器的 暮 互无位置传感器矢量控制系统 万方数据 篓堕熏塑 螋主蔓曼里 至夏矍恶麓熟 一 一 一 一一 一 瞄懈d 姥 f M 踟 g 够 i 预测变量 带宰的是该控制模块的给定变量 式 1 式 2 的离散化形式 i l 1 F i n G t 7 7 7 一e 1 一z r t 1 4 名 巧 1 k s i g n i 一i 5 式中 F e 毛J 2 G 告 1 e 扎L 2 厶是2 x 2 的单 位矩阵 t 为采样周期 一般取P W M 载波周期 1 2 预测反电动势 将砰一砰控制器的输出z 经一阶低通滤波器滤 波后得到预测反电动势 一阶低通滤波器如下 其基本思想是 当 足够大时 输入项 皂塑 H 1 警等于实际转速 它与预测转速的误差作为校正 P I 控制器的输入 来动态矫正参数a 即矫正了参数 疋 这样可消除 稳态误差 该滑模观测器将经典的林伯格观测器中的状态 变量的误差值用误差值的符号代替 获得了在小的 反馈增益的情况下具有内部高增益 增加了对内部 参数扰动和电流波形畸变的鲁棒性 蔷 O o e 名 6 2 一种新的转子角度补偿策略 离散化形式 e l 1 e 1 2 叮哦 彳 n 一e n 7 式中 t o 2 n f o o 是一阶低通滤波器的截止频率 1 3 转子磁链位置计算 式 8 给出了转子位置与预测反电动势的关系 e s 争 期 因此给定e e e 嵋 就可根据式 9 计算出转子 位置0 未补偿 0 a r c t a n 一e e 啦 9 1 4 转速计算 预测的转速幅值 1 0 转速方向 s i g n 二f 缸 坐半 从式 1 1 可以看出 转速幅值跟预测的反电动 势和反电动势常数有关 然而反电动势常数毫因 受温漂等因素的影响而具有不确定性 这个参数的 变化将造成预测的转速幅值的稳态误差 因此必须 对反电动势常数进行矫正 矫正算法如图2 所示 圈2 预测速度校正算法框图 疋 K e 1 a 一n 圭 l 面d O一 r2 下 1 2 1 3 4 7 由于使用了线性低通滤波器 加上滑模观测器 的计算延时及其他因素造成相位延迟 在高速时将 严重影响系统性能 因此必须对估算的角度进行补 偿 传统的基于滤波器频率响应特性设计的补偿策 略 挖3 即O e t a I l 一1 旦 是截止角频率 只能补 叫c 偿滤波引起的相位差 而且在实际应用中 需要设 计一张固定 的t o 0 定点数据查找表 在表的大 小固定的情况下 的精度 的调速范围存在着矛 盾 下面将给出一种新的角度补偿策略 如图2 所 示 带前馈控制的解耦项的电流环控制器中用于前 馈控制的解耦项 1 0 1 U f f u 础分别是 g a s t R i d 一如 i 口 1 4 U q s Y S R i 如 i d t O A f 1 5 式中 t O 是预测转速 忽略变量动态的过渡过程 预测参考模型的电 压方程可写为 H d 尺屯一 L i A f s i nO e 1 6 1 1 g R i q L i d t O A f C 0 5 日w 1 7 口 0 一p 1 8 以 主要由低通滤波器滤波和观测器计算延时 引入的 在高速时 低通滤波器滤波造成的相位滞后 将占主要部分 d 轴电压误差 u d 一 R s i d 一西 一甜 i 口一 A f s i n 1 9 式中 西和i 是调节器输出的参考电流 屯和i 是 实际电流 稳态时i 西和i i i 成立 而d 轴电 压误差完全由d 轴的P I 调节器输出U 也m 来补偿 考 虑到电压误差主要由电流调节器来调节 没有显著 譬 一 基于改进滑模观测器的勺孓 互无位置传感器矢量控制系统 万方数据 巧矿驱动笋哩 触持电相 2 0 1 0 年第3 期 j 么放 a z a 勿 一 一蔓 二 掣 的误差 且p 较小时有 l g d f l 2U d se 4 A f s i n 2 A f 0 2 0 由于转速较其他变量变换缓慢 在计算周期内可看 成常数 得 0 等 2 1 叫r f 为了补偿稳态误差 通常取 0 0 0 2 2 这种补偿方法不依赖于滤波器的设计 只要系 统存在 口 一p 的误差就能进行在线动态补偿 3 控制系统的构成 带滑模观测器的P M S M 矢量控制系统由滑模 观测器 转速P I 控制器 带前馈控制项的d 轴P I 控 制器 q 轴P I 控制器 空间矢量调制的逆变器等组 成 如图3 所示 图3 基于滑模观测器的无位置传感器 P M S M 矢量控制结构框图 由于采用估算转子位置的方案需要定子电流 定子电压信号 因此在静止时无法获得转子位置信 息 无法直接起动 在实际的控制系统过程中 可采 用开环起动方式 即在电机起动时 保证电枢合成磁 动势超前或者滞后转子位置角9 0 保证电机按指 定的正转或反转方向平稳地低频起动 然后逐步提 高逆变器的输出频率 使定子旋转磁场和转子磁场 保持同步 再将系统切换到滑模观测器状态运行 4 实验结果分析 为了验证本文提出的方案 采用S i m u l i n k 进行 了仿真研究 在模型中设定初始转矩1 5N i n 在 O 2 5s 时跳变至3 0N m 转速在6 0 0r a d s 运行 一段时间后降低为3 0 0r a d s 图4 一图9 分别是电 机输出转矩 负载三相电流 电机转速响应 预测速 图4 转矩响应波形 1 0 萋 5 如 图5 电机定子A 相 电流响应波形 4 8 8 0 0 每6 0 0 薯4 0 0 著2 0 0 图6 电机转速响应波形 2 5 1 5 5 5 1 5 00 20 40 60 1 如 图7d 轴的P I 调节器 输出波形 蛐 嘶僦瓣 一 f 瓣懈而币 如 图9 补偿器后的 转子位置角及误差 度误差 预测角度及其误差 预测反电动势误差等波 形 系统仿真参数为 L L 8 5 1 0 一H 定子电 阻R 2 8 7 5Q 转子磁链幅值 0 1 7 5W b 转动惯 量 O 0 0 08 2k g m 2 阻尼系数 0 电机极对数P 4 S V P W M 模块中 三角载波周期T 0 1m 8 从图4 一图6 可以看到 系统具有良好的动态 静态特性 图3 的电机转速 r a d s 响应波形 当系 统经过1 2m s 起动时间后进入稳态 由于采用了带 前馈控制的P I 电流调节器 转速爬升速度快 超调 小 而由6 0 0r a d s 降至3 0 0r a d s 时快速且没有超 调 在0 2 5s 时 负载转矩从1 5N I n 提升至3 0 N m 转速只有极小的波动 而A 相电流随转矩发 生幅值跳变的过渡过程也很短 虽然滑模控制器的预测的反电动势五 五波形 存在不小的纹波 这也是滑模观测器控制固有的缺 点 但经滤波和动态补偿 得到了误差极小的p 图7 是d 轴的P I 调节器输出M 幽m 波形 M 出佑中包含 了吼 的信息 用于补偿滑模控制器中滤波引起的相 位滞后 图9 是经补偿器后的转子位置角和误差仿 真波形 预测角度与实际角度之差在零附近有微小 的脉动 从图1 0 看出 预测量 万 石 会受到负载扰 动的短暂影响 但能很快恢复到稳态 图9 表明 S M O 模块估算的转子位置角经补偿后精度较高 在 系统进入稳定运行状态后 估算误差很小 从而验证 了采用无位置传感器矢量控制算法的可行性与正确 性 eo l l 卜 十 一 著叫气r 毋捌5 如 图1 0 预测速度与实际速度的误差波形 基于改进滑模观测器的 孓 互无位置传感器矢量控制系统 万方数据 触持电棚2 0 1 0 年第3 期 5 结语 本文提出的无位置传感器的矢量控制以及转子 位置角补偿方案性能良好 滑模观测器的计算负荷 小 易于工程化 对设计P M S M 控制系统 降低系 统成本 提高系统可靠性提供了一种新思路 参考文献 1 S a k 脚咖K 1 w a j iY P o s i t i o na n ds p e e d 蝴幽c o n t r o lf o rP M S M d r i v eu s i n gd i r e c tp o s i t i o n 删e s t i m a t i o n C t h e2 7 t ha n n u a l c m d 坤n c eo ft h eI E E Ei n d u s t r i a le l e c t r o n i c ss o c i e t y 2 0 0 1 1 6 8 0 1 6 8 6 2 g i mJS S u lS K Ah i Op e a o r n m c eP M S Md r i v ew i t h o u tr o t a t i o n a lp o s i t i o n u s i n gr e d u c e do n t e ro b s e r v e r c p m e e e d i n g so ft h eI E E E I A Sa n n u a lm e e t i n g 1 9 9 5 7 5 8 2 3 K u l k a m iAB E s h a n iM An o v e lp o s i t i o ns e n g o re l i m i n a t i o nt e c h n i q u ef o rt h ei n t e r i o rp e r m a n e mm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e J 3 I E E ET r a m o n I A2 8 1 9 9 2 1 1 4 4 1 5 0 4 A i h a r aT T o b aA Y a n a s eT S e u s o d e s st o r q u ec o n t r o l o fs a l i e n t p o l es y n c h r o n o u sm o t o ra tz e r o s p e e do p e r a t i o n J I E E ET r a m P o w e rE l e c t r o n 1 9 9 9 I 2 0 2 2 0 8 5 1 o r e n zRD F u t u r et r e n d si np o re l e c t r o n i cc o n t r o lo f d r i v e s b u s t z e r os p e e ds e n s e d o s sc o n t r o la n dn e ws t a n d a r da p p r o a c h e s f o rf i e l do r i e n t a t i o n C P r o c e e d i n g so ft h eI P E CY o k o h a m a 1 9 9 5 3 2 8 3 4 6 G uJ z h gY W uz e ta 1 R o t o rp o s i t i o na n dv e l o c i t ye s t i m a t i o n f o rP M S Mb a s e do ns l i d i n gm o d eo b s e r v e r C 4 t hI n t e r n a t i o n a l P o w e rE l e c t r o n i c sa n dM o t i o nC o n t r o lC o n f e r e n c e 2 0 0 4 1 3 5 1 1 3 5 5 7 K a n gKL K i mJM H w a n gKB e ta 1 S e u s o r l o s sc o n t r o l o fP M S M i nh i g hs p e e di 8 1 1 9 ew i t hi t e r a t i v es l i d i n gm o d eo b 6 e r Y e r C 1 9 t h A n n u a lI E E EA p p l i e dP o w e rE l e c t r o n i c sC o n f e r e n c ea n dE x p e s i t i o n 2 0 0 4 1 1 1 1 1 1 1 6 8 L iH G uS K o n g z h iL i l u n e ta 1 N e u r a l n e t w o A b a s e da d a p t i v e s l i d i n gm o d ec o m m lf o rP M S M J C o n t r o lT h e o r ya n dA p p l i c a t i o n s 2 0 0 5 2 2 4 6 1 4 6 4 9 A n d r o e s e uGD P o p aA S p i l e aA T w os l i d i n gm o d eb a s e do b s e r v 1 0 1 1 1 2 级嬲曩 e Z 铭翻彩矗力巍聊 哪f o rs e n s o d e s sc o n t r o lo fP M S Md r i v e s J 1 E l e c t r i cP o w e rC o i n p o n e n t sa n dS y s t e m s 2 0 0 2 3 0 1 2 1 1 3 3 B a eBH S u lSK I m p l e m e n t a t i o no fS e n s e f l e s sV e c t o rC o n t r o lf o r S u p e r H i g hS p e e dP M S Mo fT u r b o C o m p r e s s o r J I E E ET r a m a c t i o n so nI n d u s t r yA p p l i c a t i o n s 2 0 0 3 3 9 8 1 1 8 1 8 S e o kJK L e eJK 5 e u s o r l e s sS p e e dC o n t r o lo fN o n s a l i e n tP e n n a n e n t M a g n e tS y n c h r o u o u sM o t o rU s i n gR o t o r P o s i t i o n T r a c k i n g P IC o n t r o l l e r J I E E ET r a n s a c t i o n so nl n d u s t r a i a lE l c t r o n i c s 2 0 0 6 5 3 3 9 9 4 0 5 P a r a s i l i t iF P e t r e l l aR T u r s i n iM R o t o rs p d da n dp o s i t i o nd e t o c t i o nf o rP MS y n c h r o n o u sM o t o r sb a s e do ns l i d i n gm o d eo b r y e r C P i n e o ft h eE u r o p e a nC o n f e r e n c eo nP o w e rE l e c t r o n i c s a n dA p p l i c a t i o n 1 9 9 9 1 3 J e z e m i kK U f l e pE S p e e d n 8 0 r l e s l i d i n gm o d et o r q u ec o n t r o l o fP M S M C 3 0 t hA n n u a lC o n f e r e n c eo fI E E EI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c sS o c i e t y 2 0 0 4 9 9 3 9 9 8 1 4 B a eBH S u lSK I m p l e m e n t a t i o no fS e n s e r l e s sV e c t o rC o n t r o lf o r S u p e r H i g hS p e e dP M S Mo fT u r b o C o m p r e s s o r J I E E ET r a n s a c t i o n so nI n d u s t r yA p p l i c a t i o n s 2 0 0 3 3 9 8 1 1 8 1 8 1 5 S c o kJK L e eJK S e n s o f l e s sS p e e dC o n t r o l o fN o u s a l i e n tP e r m a n e n t M a g n e tS y n c h r o n o u sM o t o rU s i n gR o t o r P o s i t i o n T r a c k i n g P IC o n t r o l l e r J I E E ET r a m a c t i o u so nI n d u s t r i a lE l c t r o n i c s 2 0 0 6 5 3 3 9 9 4 0 5 1 6 H a nYS K i mY S S e u s o d e s sP M S Md r i v ew i t has l i d i n gm o d e c o n t r o lb a s e da na d a p t i v e8 p e e da n dar o t o fr e s i s t a n c ee s t i m a t o r C D i g e s t so f t h eI n t e r m a gC o n f e r e n c e 2 0 0 0 G R 0 6 1 7 M a l i kE L iC S l i d i n g M o d e O b s e r v e r f o r W i d e S p ds e n s o l l e 鸺 C o n t r o lo fP M S MD r i v e s C C o n f e r e n c eR e c o r d I A SA n n u a l M e e t i n g I E E EI n d u s t r yA p p l i c a t i o n sS o c i e t y 2 0 0 3 1 4 8 0 4 8 5 1 8 H a nYs C h o iJs K i mYS S e n s o r l e s sP M S Md r i v ew i t ha8 l i d i I 唱m o d ec o n t r o lb a s e da d a p t i v es p e e da n ds t a t o rr e s i s t a n c ee s t i l n a t o r J I E E ET r a n s a c t i o n so nM a g n e t i c s 2 0 0 0 3 6 3 5 8 8 3 5 9 1 作者简介 金树强 1 9 8 1 一 硕士研究生 研究方向为电力传动 及其自动化 上接第4 5 页 7 C h e r tYs Z h uzQ H o w eD N f l u e n c eo fi n a c c u r a c i e si nm a c h i n e p a r a m e t e r so nf i e l d w e a k e n i n gc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fP Mb r u s h l e s sd r i v e s c P r o c I E E EI n t E l e c t r i cM a c h i n e s D r i v e sC o n f e r e n c e s e a t u l e U S A 1 9 9 9 6 9 I 一6 9 3 8 C h e nYs Z h uZQ H o w eD C s l c u l a t i o a0 fD Q a x i sI n d u c t a n c e s o fP MB m s h l o s sA CM a c h i n e sA c c o u n t