基于滑模观测器的无位置传感器永磁同步电机研究.ppt

1、基于滑模观测器的无位置传感器永磁同步电机研究,黎永华 08.12.16,1. 研究意义,永磁同步电机调速系统是以永磁同步电机为控制对象，采用变压变频技术对电机 进行调速的控制系统。因其具有能耗低、可靠性高、控制精确等优点，在许多领 域得到广泛的应用。PMSM控制系统稳定运行是建立在闭环控制基础之上的，如何获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。当前，在大多数调速驱动系统中，最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器,不过传感器增加了系统的成本，降低了系统的可靠性和耐用性。因此，无位置传感器的控制系统有着广泛的应用前景。它通过测量电动机的电流、电压等可测量的物理量，通过特定的观测器策略

2、估算转子位置，提取永磁转子的位置和速度信息，完成闭环控制。,主要优点： 1、减少成本 2、减小电机体积 3、提高系统可靠性 4、减少系统维护量,2. 国内外研究现状,电力电子器件的发展为电机调速奠定了物质基础。高速数字信号处理器 (DsP)的高速处理能力使无位置传感器电机控制技术的复杂算法得到实现，近10年来，各国学者致力于无位置传感器控制系统的研究，并且提出了几种切实可行的方法，目前，适用于永磁同步电机位置估算的主要策略有： （1）利用定子端电压和电流直接计算和 （2）基于观测器基础上的估算 （3）模型参考自适应 （4）人工智能理论基础上的估算,3. 研究内容,本课题研究的主要目标是基于滑模

3、观测器实现永磁同步电机无位置传感器调速控制，使得在实际的电机控制中能够完全脱离位置传感器，并且能够达到采用位置传感器控制时一样的控制效果。,无位置传感器系统框图,3.1滑模变结构控制,滑模变结构控制是一种非线性控制，其对于系统的摄动、不确定性及外扰动具有完全的自适应性。但是它的自适应控制有本质的差别，自适应控制是利用对系统参数的在线辨识，从而修改控制的参数来更好地削弱系统的不确定性的影响，而变结构控制是依靠其自身的滑动模态，通过改变切换状况来抵御不确定性。变结构控制的根本思想是反向控制，而反向控制独特的性能上强制性，具有极强的鲁棒性，从物理的角度而言，变结构控制总是产生最大作用，最大加速，最大

4、减速，加速过程中没有减速，减速过程中没有加速。 抖动是滑动变结构应用存在的主要问题，其控制机理决定了其输出必定存在抖动，也正因为此其具有极强的鲁棒性。,以二阶系统为例,式中x1和x2是状态变量，a1，a2，b是定常或时变参数 考虑不连续系统,式中,切换函数s为：,c0,直线s=0是切换线，在这个切换线上，u是不连续的。 设t=0时，状态x在s0一侧，在u=u+作用下，在某个时限后到达s=0，并进入s0一侧，u=u-，又往s=0控制。 当系统在滑模状态时，,假设,即转速变化很慢时，电机的反电动势模型：,可以看出转子角速度、位置只与反电动势有关， 于是我们可以通过观测其反电动势来确定转子的 角速度

5、、位置。,滑模观测器在无位置观测器系统中的应用,设滑模观测器状态方程：,切换函数为：,当经过有限的时间间隔后进入滑模状态，,可以得到,经过低通滤波后，即得到连续的反电动势，也就得出了转子的角度，速度。,滑模观测器模块图,可推得,3.2 永磁同步电动机无位置传感器控制中需解决的主要问题,无传感器技术的应用给永磁同步电机带来了起动问题。机械式位置传感器能探知电机静止时转子磁极位置，使电机和逆变器配合工作于自控同步状态，因而电机起动不会失步。无传感器技术无法在电机静止时从电机的电 气特性知道转子的初始位置。只有电机起动到一定的转速后，电机才能正常运行在无位置传感器状态下。因此，电机初始转子位置检测和

6、起动问题是同步电机实现无位置传感器运行的一大问题。 低速运行时效果不好，因为滑模观测器出来的反电动势是一个开关量，需要加一个衰减率很大的低通滤波器，当电机低速运行时，反电动势幅值很小，经过低通滤波和相位延迟后，其控制效果不理想。,解决启动问题的预备方案 永磁同步电机在启动时，转子磁极到位置是任意的，为了防止电机启动时电机反转，且保证启动转矩最大，必须对庄子的初始位置进行检测。 通常方法是给电机施加一定时间的电压脉冲，把转子磁极拖到定子合成磁势轴线重合的位置，即让电机转到我们已知位置。这种方法电机开始定位会抖动一下，并且我们不知道转子是否已经转到了我们设定的位置。 永磁同步电机在各个方向上磁路的饱和程度是不一样的，各个方向的磁导率是不一样的，磁场存在非线性。因此对应于转子的不同方向，定子铁心的等效电感值会有些差别，如果施加幅值相等而方向不同的一系列相同时间的电压脉冲，脉冲结束时的定子电流合成矢量值的大小会不同，与定子电流合成矢量的方向有关，得到最大电流的方向就是转子磁极N 极方向，因为当定子磁动势合成矢量与转子磁极N极方向一致时，磁路最饱和，磁导率最小对应的电感值最小，电流上升