一种改进的永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制.doc

一种改进的永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制 第36卷增刊xx?9月福州大学学报(自然科学版)Journal ofFuzhou University(Natural Science)Vol.36Supp.Sep.xx:1000-2243 (xx)S0-S175-05一种改进的永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制何栋炜,彭侠夫,周结华(厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门361005)摘要:为改进永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制,提出一种结合扩展卡尔曼滤波和滑模观测器的PMSM速度及位置估算方法.使用Matlab/Simulink建立PMSM的无位置传感器直接转矩控制系统,实现无位置传感器情况下的PMSM启动与调速仿真.仿真结果表明,该方法具有较令人满意的效果.关键词:永磁同步电机;滑模观测器;扩展卡尔曼滤波;无位置传感器控制:TP273:AAn improved sensorlessdirect torquecontrol forsurfacepermanen tmagsynchronous machineHE Dong-wei,PENG Xia-fu,ZHOU Jie-hua(College ofInformation Scienceand Technology,Xiamen University,Xiamen,Fujian361005,China)Abstract:To improvethe performanceof sensorlessdirect torquecontrol ofpermanent magsyn2chronous motor,a methodintegrating extended Kalman filterand sliding mode observer for PMSMspeedand positionestimation isproposed inthis paper.And Matlab/Simulink isused toestablish thespeed control systemused sensorlessdirect torquecontrol method,and achievethe simulatioinof jump-start andspeedcontrol.The simulationresults showthat themethod hasmore satisfactoryperform2ance.Keywords:permanent magsynchronous motor;slidingmode observer;extendedKalmanfilter;sensorless control永磁同步电机(PMSM)的直接转矩控制(DTC),以其结构简单,响应快速,对参数变化和负载扰动具有较强鲁棒性等优点,成为高性能调速系统的首选方案.而传统DTC系统因为机械式位置传感器的使用,降低了系统运?的可靠性,增加了系统成本,并且一定程度上制约了系统高速性能.因此,永磁同步电机无位置传感器运?的研究?具有实际意义,其中滑模观测器方法以其鲁棒性及参数低敏感性成为研究的热点.但从滑模观测器得到的反电动势中往往含有噪声信号,为速度与转子位置信息的提取带来难题.本文提出一种改进的方法,利用扩展卡尔曼滤波从四阶滑模观测器中获得的反电动势中提取速度和转子位置,并使用Matlab/Simulink进?仿真,验证所提出方法的性能.1滑模观测器设计1,表面式永磁同步电机(SPMSM)的-坐标系下的数学模型为diR11=-i+u E-d tL L LdiR11=-i+u E-d tL L LfsinE=-ee2: (1)fcosE=ee (2)式中:R为定子绕组电阻;L为定子绕组电枢电感;i,i为定子电流矢?的-轴分?;u,u为定子电压矢?的-轴分?;E,E为反电动势矢?的-轴分?;e,e为转子位置和角速度(电单位).对:xx-06-13作者简介:何栋炜(1985-),男,硕士研究生;通讯联系人:彭侠夫,博士生导师,教授.?1994-xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House.All rightsreserved.ki.?176?式 (2)求导并忽略?e可以得到:福州大学学报(自然科学版)第36卷?E?E3依照式 (1),式 (3)设计观测器为:=-e E=e E (3)di K sR11=-i+u Esign(i-i)-d tL LL Ldid t=-K sR11i+u Esign(i-i)-LLLL (4)?E?E=-e=eE i)+K s?sign(E i)+K s?sign(E a,E b+K o?K s?sign(i) (5)+K o?K s?sign(i),K o0,可证明此时式 (4)中i,i分别收其中,K s,K o为观测器增益.选取K smax4敛于i,i;式 (5)中E.,E分别收敛于E,E2转子位置与速度估计由于滑模观测器获取的反电动势中含有高次谐波等噪声,如果直接从中提取速度和转子位置信息将存在较大误差.本文将噪声视为系统误差,采用EKF从反电动势信号中获取速度和转子位置信息.建立5关于速度e,转子位置:e以及反电动势的离散数学模型(k+1)=(k)+T?e(k)e(k+1)=e(k)+e(k)=e(k+1)e(k)+(k)E(k+1)=-e(k)E(k)?T+E(k)E(k+1)=(k)?T+E(k)e(k)ETe其中:T为采样周期;(k)为速度变化,这?将(k)视为系统误差.选取状态变?x=ee,输出T变?YEE.得到如式 (7)形式状态空间方程: (6)x(k+1)=f x(k)y(k+1)=hx(k)+W(k)+V(k) (7)(k)+Te(k)其中:fx(k)=e(k)+;hx(k)e(k)=-e(k)E(k)T+E(k)e(k)V(k)=0为系统过程噪声和测?过程噪声.EKF算法计算过程可以描述为:预测:e(k)E(k)T+E(k)(k),;W(k)=00Tx k+1,P k+1,k=f(x k,k)=F(x k+1,k)Pk,Tkk kF(x k+1,k)kT (8)+QTK k+1=P k+1,H k+1(Hk+1P k+1,kH k+1+R)-1修正:19f其中:F=09x0Tx k+1,P k+1,k+1k+1=x k+1,+K k+1(Yk+1-H k+1x k+1,k)k (9)=(I-K k+1H k+1)Pk+1,=f01,H k=1109h9x-e(k)cos e(k)-e(k)sine(k)-sine(k)cos e(k)00x=x k,选取系统噪声方差?1994-xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House.All rightsreserved.ki.增刊0000何栋炜,等:一种改进的永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制00,测?噪声方差矩阵R=K f11001?177?矩阵Q=00,K f为噪声协方差系数.3系统仿真使用Matlab/Simulink工具进?仿真.仿真系统模型(如图1)主要由滑模观测器模块(图1中SMO模块)、直接转矩控制模块(图1中DTC模块非本文重点,故?作具体说明)、空间电压矢?模块(图中MY_3SVM)等构成.其中滑模观测器及EKF算法使用S函数来实现.选择观测器参数Ks=100,K o=5e,状态变?初值x (0)=000,EKF测?噪声参数K f=10.系统仿真间隔时间为10为10-5-7s,SMO模块采样时间s,DTC模块采样时间为10-4s.图1系统模块图Fig.1The schemeof Matlab/Simulink mode4仿真结果及分析速度估计结果(图2,图3)良好(误差控制在20rad/s).系统仿真结果如图3图6所示.转子位置估计结果比较准确(图4),某些时候(转子位置接近2时)存在稍微超前或滞后,但从图中可以看出这并?会严重影响估计效果.从定子三相电流(图5)、输出转矩(图6)可以看出估计转速和转子位置的误差处于容许范围内,?影响PMSM的无位置传感器直接转矩控制的动态性能和稳态性能,特别指出的是,其速度和转子位置估计在启动过程中的性能可以满足PMSM闭环启动的要求.图2实际速度v1及估计速度v2Fig.2Actual speedand estimationspeed?1994-xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House.All rightsreserved.ki.?178?福州大学学报(自然科学版)第36卷5小结仿真结果表明所采用结合EKF和滑模观测器的速度与位置估计方法,可以比较精确的估计出PMSM的转速与转子位置,实现PMSM的无位置传感器的DTC控制.?1994-xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House.All rightsreserved.ki.增刊参考文献:何栋炜,等:一种改进的永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制?179?1Zhao Sheng,Peng Xiafu.A modifieddirect torquecontrol usingspace vectormodulati on(DTC-SVM)for surfacepermanentmag synchronousmachine(PMSM)with modified4-order slidingmodeobserverC/Mechatronics andAutomation.IC2MAxxInternati onal Conference.xx:1207-1212.2Malik Elbuluk,Changsheng LI.Sliding modeobserverforwide-speed sensorlesscontrol ofPMSM drivesC/Electric Ma2chines andD rives.xxIEEE InternationalConference.xx:300-307.3Xu Z,Rahman MF.An improvedstator fluxestimation fora variablestructure directtorque controlledIPM synchronousmotordrive usinga slidingobserverC/Industry Applications Conference.xxFourtieth IASAnnualMeeting,xx.4Harnefors L.Speed estimatio