大功率永磁低速同步電機的無(wú)傳感器控制

摘要：為了滿(mǎn)足大功率永磁同步電機(PMSM)在低速運轉時(shí)實(shí)現無(wú)傳感器控制的需要，研究了一種新型的滑模觀(guān)測器(SMO)方法。采用SMO對d，q坐標系下的感應電動(dòng)勢進(jìn)行估算，并結合鎖相環(huán)(PLL)原理得到轉子位置和速度，同時(shí)基于Lyapunov函數分析了SMO參數的收斂性，并對滑模增益的選擇進(jìn)行了分析，該方法解決了傳統SMO算法在極低速下無(wú)法實(shí)現的問(wèn)題。實(shí)驗結果表明，該方法能準確計算出電機的轉子位置和速度，使系統具有良好的穩態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機；滑模觀(guān)測器；無(wú)傳感器控制

1 引言
由于傳統機械傳感器自身存在缺點(diǎn)及局限性，所以無(wú)傳感器技術(shù)已成為調速控制系統的重要研究方向之一。特別是在極低速或靜止運行情況下的無(wú)傳感器控制技術(shù)，仍是高性能電機控制的研究難點(diǎn)。SMO由于具有魯棒性強、動(dòng)態(tài)響應快、設計簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應用。但傳統的SMO算法大都是應用于觀(guān)測靜止坐標系下的反電動(dòng)勢，在低速運行過(guò)程中難以穩定運行。
在此直接使用d，q坐標系下的電壓／電流方程，用SMO來(lái)觀(guān)測電機的感應電動(dòng)勢，同時(shí)結合PLL的優(yōu)良特性；實(shí)時(shí)跟蹤、估算實(shí)際的轉子信息，即使電壓相角不平衡、諧波較大等條件下，也具有較好跟蹤性能。該方法不僅保留了傳統SMO算法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服其缺點(diǎn)。該算法簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現，實(shí)驗結果進(jìn)一步證實(shí)了其可行性。

2 PMSM無(wú)傳感器控制
在對PMSM進(jìn)行建模時(shí)，通常先假設：轉子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間分布為正弦波，定子電樞繞組中的感應電動(dòng)勢也為正弦波；忽略定子鐵心飽和，認為磁路為線(xiàn)性，電感參數不變；不計鐵心渦流與磁滯損耗；轉子上無(wú)阻尼繞組?；谝陨霞僭O，對凸極式PMSM建立d，q坐標系下的數學(xué)模型為：

式中：下標d，q分別表示d，q軸分量；ωe為轉子電角速度；R為定子電阻；Ed，Eq為d，q坐標系下的電動(dòng)勢，Ed=0，Eq=ωeψf，ψf為永磁體磁鏈。
2．1 滑模觀(guān)測器設計
根據式(1)，構造SMO方程如下：

式中：k為正常數，決定了SMO的開(kāi)關(guān)增益。
實(shí)際應用中可采用飽和函數sat()取代常規SMO中的符號函數sgn()，可有效防止控制器發(fā)生抖振，其表達式為：