基于改进型滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制.pdf
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1、永磁同步电机无位置传感器控制技术通常使用滑模观测器观测反电动势,进而获取转子位置和速度信息.为提升滑模观测器的性能,本文设计了一种改进型自适应超螺旋滑模观测器.首先,文章在超螺旋滑模观测器结构中增加观测误差的线性项,以提高观测器的动态性能.接着,为解决观测器增益在不同速域下参数不匹配的问题,本文提出一种观测器参数自适应调整策略,提升了观测器参数鲁棒性.在此基础上,采用同步参考系滤波器滤除输出信号的高次谐波,进一步提高观测精度.最后,仿真结果表明,与传统方法相比,本文提出的方法观测性能更好,鲁棒性更强.关键词:永磁同步电机;滑模观测器;无位置传感器控制;自适应算法引用格式:王孝洪,连维钊,翟名扬
2、.基于改进型滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制.控制理论与应用,2023,40(7):1243 1251DOI:10.7641/CTA.2023.20460Sensorless control method of permanent magnet synchronous motorbased on a modified sliding-mode observerWANG Xiao-hong,LIAN Wei-zhao,ZHAI Ming-yang(College of Automation Science and Technology,South China University of
3、Technology,Guangzhou Guangdong 510640,China)Abstract:The sensorless control technology of permanent magnet synchronous motor usually uses sliding-mode ob-server to observe the back electromotive force,so as to obtain rotor position and speed information.In order to improvethe performance of sliding-
4、mode observer,a modified adaptive super-twisting sliding-mode observer is designed.Firstly,the linear term of observation error is added to the structure of super-twisting sliding-mode observer,in order to improvethe dynamic performance of the observer.Then,to solve the problem of parameters mismatc
5、h of observer gain in differentspeed ranges,a self-adaptive adjustment strategy of observer gain parameters is proposed,and the robustness of observerparameters is improved.on this basis,the synchronous reference frame filter is used to filter out the high-order harmonicsof the observed back electro
6、motive force,and the observation accuracy is further enhanced.Finally,the simulation resultsshow that the proposed method has better observation performance and stronger robustness than the traditional method.Key words:permanent magnet synchronous motor;sliding-mode observer;sensorless control;adapt
7、ive algorithmsCitation:WANG Xiaohong,LIAN Weizhao,ZHAI Mingyang.Sensorless control method of permanent magnet syn-chronous motor based on a modified sliding-mode observer.Control Theory&Applications,2023,40(7):1243 12511引引引言言言高性能永磁同步电机(permanent magnet synchro-nous motor,PMSM)矢量控制系统需要实时获取高精度的转子位
8、置和速度信息,因此需要在电机上安装旋转变压器、编码器等转子位置传感器.然而,安装机械位置传感器会增加电机制作工艺难度和成本;同时,位置传感器在使用过程中受限于温度、电磁干扰等环境条件,容易降低系统的可靠性1.采用高精度无位置传感器控制算法的电机控制技术能够克服以上缺陷,具有良好的应用前景和研究价值23.永磁同步电机无位置传感器观测技术可分为两类方法:基于高频信号注入的方法和基于基波模型的方法45,分别适用于零低速和中高速工况.在零低速区域内,电机的反电动势幅值较小或者为零,信噪比很收稿日期:20220529;录用日期:20230418.通信作者.E-mail:;Tel.:+86 1382600
9、8958.本文责任编委:李世华.国家自然科学基金项目(62173150),珠海市产学研合作项目(ZH22017001210116PWC),广东省基础与应用基础研究基金重点项目(2022B1515120003)资助.Supported by the National Natural Science Foundation of China(62173150),the Industry-University-Research Collaboration of Zhuhai(ZH22017001210116PWC)and the Key Program of Guangdong Basic and A
10、pplied Basic Research Foundation(2022B1515120003).1244控 制 理 论 与 应 用第 40 卷低,无法从中提取出有效信号.通常利用转子本身的结构凸极特性或者由外部注入信号引起的饱和凸极效应,从定子电流响应中提取转子位置信息,主要方法有旋转高频注入法6和脉振高频注入法78等.文献9提出一种注入多组等宽电压脉冲,利用线电感基波分量与二次谐波分量计算转子初始位置的方法.文献10提出一种高频信号注入法与反电动势模型法结合的混合观测方法,实现了无传感器全速域控制.在中高速区域内,通过观测电机的反电动势或磁链并从中获取转子位置信息,其中包括模型参考自适应
11、法1112、扩展卡尔曼滤波器法13、滑模观测器法14等.模型参考自适应法(model reference adaptive sys-tem,MRAS)的参考模型和可调模型都以电机数学模型为基础,因此高度依赖电机模型参数,鲁棒性较差.扩展卡尔曼滤波器法(extended Kalman filter,EKF)建立于系统的随机过程模型,因此抗噪能力强,但需要进行高阶矩阵运算,实时要求性高,需要高性能处理器.滑模观测器法(sliding-mode observer,SMO)因其优越的抗扰动能力和鲁棒性而得到广泛应用.其原理是通过开关控制使系统稳定运行在滑模面,从而使得定子估算电流能够精确跟踪实际电流,
12、再进一步观测电机的反电动势.然而,传统滑模观测器不可避免地存在抖振现象15,导致观测反电动势波形高次谐波含量较高,最终将影响转子位置估计的准确性.文献16采用一种变截止频率低通滤波器和修正反电动势观测器对滑模观测器输出的反电动势进行二级滤波,并合理补偿相位延迟,有效提高了转子位置估计精度,但仍然无法精确补偿滤波引起的相位滞后.文献17在滑模观测器中采用了一种新型自适应趋近律,通过调整趋近律的参数改善系统模态到达过程的动态品质,进而抑制了观测信号的高频抖振,但观测反电动势仍含有较多高次谐波.文献18采用高阶非奇异终端滑模观测器方法,能够有效抑制观测值的抖振并提高系统的鲁棒性,避免了外加滤波器所引
13、起的估计误差,但计算复杂且要求实时性高,因此对处理器性能要求很高.文献1920提出了超螺旋滑模观测器的参数自适应调整方法,根据系统状态变量实时调整观测器增益,避免增益过大引起的系统抖振或增益过小导致的系统不稳定现象.针对上述研究中观测反电动势谐波含量高、转子位置信息精度低、自适应能力差等问题,本文以表贴式永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统研究为背景,设计了一种改进型自适应超螺旋滑模观测器用于观测电机反电动势.首先,文章在传统超螺旋滑模观测器的结构上增加观测误差的线性项,使观测器在有效抑制高频抖振的同时,提高了系统的抗干扰能力和系统模态趋近滑模面的动态性能.接着,提出了一种上述观测器的参数自适
14、应实时调整策略,减少了电机在宽速域范围工况下的观测误差.观测器输出信号后级采用同步旋转滤波器来进一步消除高次谐波,提高系统精度.最终,本文通过仿真验证了所提出控制策略的可行性和优越性.2永永永磁磁磁同同同步步步电电电机机机数数数学学学模模模型型型表贴式永磁同步电机在静止坐标系轴下的电压方程可以表述为us=(Rs+pLs)is+Es,(1)式中:Rs为相电阻,Ls为相电感,p=ddx为微分算子,us=uu表示静止坐标系下的定子电压,is=ii表示定子电流,Es=EE为扩展反电动势,且满足EE=efsinecose,(2)式中:e表示电机的电角速度,f表示永磁体磁链,e表示电角度.由式(2)可知扩
15、展反电动势中包含电角度信息,只要设计反电动势观测器准确获取电机的反电动势,就能求得电机转子速度和位置的全部信息.永磁同步电机在旋转坐标系dq轴的电磁转矩方程和运动方程为Te=3npfiq2,Jdmdt=Te TL Bm.(3)其中:np为极对数,iq为q轴电流,m为机械角速度,J为转动惯量,B为阻尼系数,Te,TL分别为电机的电磁转矩和负载转矩.3超超超螺螺螺旋旋旋滑滑滑模模模观观观测测测器器器超螺旋滑模观测器(super twisting algorithm SMO,STA-SMO)是一种二阶滑模算法,其二阶滑模控制面的轨迹绕着原点盘旋,如图1所示.由于观测器中加入了滑模切换函数的积分项,滑
16、模轨迹是光滑连续的,有效降低了系统的抖振.图 1 超螺旋滑模轨迹图Fig.1 Trajectory diagram of STA-SMOSTA-SMO的基本模型为第 7 期王孝洪等:基于改进型滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制1245ddt x1=k1|x1|12F(x1)+x2+1,ddt x2=k2F(x1)+2,(4)式中:xi为状态变量估计值,xi=xi xi为观测误差,ki为 观 测 器 增 益 参 数,i为 扰 动 项,i=1,2.F(x)为符号函数,即F(x)=1,x 0.(5)文献21中已证明,如果式(4)中扰动项满足,即161|x1|12,262,(6)其中1,2为大于
17、0的常数,且k1,k2满足以下条件:k1 21,k2 k151k1+62+4(1+2k1)22(k1 21),(7)则系统稳定,能够在有限时间内收敛.永磁同步电机控制系统中,选取状态变量为定子电流is,将式(1)重写为ddtis=1LsusRsLsis1LsEs.(8)根据式(8)建立超螺旋滑模观测器模型,如下所示:ddtis=k1|is|12F(is)+wk2F(is)dt+(is).(9)对比式(4)和式(8),扰动项可视为(is)=1LsusRsLsis+,(10)其中为系统中的微小扰动.当系统稳定在滑模面时,可以直接估算出反电动势Es=Ls(k1|is|12F(is)+wk2F(is)
18、dt),(11)式中:k1|is|12F(is)项主要决定观测器的收敛速度,wk2F(is)dt项主要决定观测器抑制抖振的效果,因此可以通过调节k1,k2来调整观测器的性能.虽然STA-SMO能够克服传统SMO的抖振现象,但该算法收敛时间较长,且该时间仅与观测器增益系数和系统扰动上界有关.因此STA-SMO虽然在滑模面附近具有强抗扰能力,但当系统因扰动而远离滑模面时,观测器无法迅速回到滑模面上.同时,STA-SMO也存在参数难以调整、观测器自适应能力差等问题.式(7)给出了观测器参数关于系统稳定性的条件,由于STA-SMO的扰动项边界难以确定,实际系统中往往不得不选取较大的观测器参数k1,k2
19、来保证系统的稳定性,但观测器参数选取过大时,又会出现系统在滑模面上的抖振问题.4改改改进进进型型型自自自适适适应应应超超超螺螺螺旋旋旋滑滑滑模模模观观观测测测器器器控控控制制制算算算法法法为了改进传统STA-SMO抗扰动能力不足、观测器参数鲁棒性差等缺陷,本文设计了一种改进型自适应超螺旋滑模观测器(adaptive gain linear STA-SMO,AGLSTA-SMO).该观测器在传统STA-SMO的基础上增加了观测误差的线性项,增强了系统模态趋近过程的动态性能和抗干扰能力.接着,采用观测器参数自适应调整策略,使系统在宽速域运行范围内能够无抖振稳定运行.最后,使用同步参考系滤波器滤除观
20、测信号谐波,在提升系统精度的同时几乎不影响系统性能.4.1改改改进进进型型型自自自适适适应应应超超超螺螺螺旋旋旋滑滑滑模模模观观观测测测器器器4.1.1改改改进进进型型型超超超螺螺螺旋旋旋滑滑滑模模模观观观测测测器器器设设设计计计文献21提出了一种改进型超螺旋滑模观测器(linear STA-SMO,LSTA-SMO),本文在此基础上设计了基于改进型超螺旋滑模观测器的无位置传感器矢量控制系统.LSTA-SMO的基本结构如下:ddt x1=k1|x1|12F(x1)k3 x1+x2+1,ddt x2=k2F(x1)k4 x1+2.(12)LSTA-SMO在传统STA-SMO的基础上新增了两项观测
21、误差的线性项:k3 x1,k4 x1.如图2所示,这些线性项使观测器以指数速度收敛而不是仅以有限时间速度收敛,增强了系统模态趋近过程的动态性能.在保留STA-SMO在系统原点处强抗扰能力的同时,也能抑制远离原点的较强扰动,极大地增强了系统的抗干扰能力.?STA-SMOLSTA-SMO图 2 LSTA-SMO与STA-SMO滑模轨迹对比Fig.2 Comparison of sliding mode trajectories betweenLSTA-SMO and STA-SMO文献21已证明,存在扰动的情况下,只要扰动满足其上界为|1|61|x1|12+2|x1|,|2|63+4|x1|,(1
22、3)就能保证系统的稳定性,其中参数1,2,3,40.1246控 制 理 论 与 应 用第 40 卷文献21还说明了观测器参数ki(i=1,4)选择的范围,如式(14)所示.只要观测器参数选取得足够大,就能保证系统收敛至滑模面.k1 2max(1,3),k2 max(k11k1+1821+32(12k1 1),(k31+12k12)22k3(k3 22)+(3+32k11)k3 2(k3142)k21(k3 22),k3 max(383+149423+84,23),k4 max(k3k3(k3+32)+1222+4k3 22,k112k1(k1+1221)(2k23322k34)2(p112k1
23、(k1+121)2)(12k1 1)+k1(52k23+322k3+4)p12(p112k1(k1+121)2)(12k11)12k23),(14)其中p1=k1(14k21 3)+(12k1 1)(2k2+12k21).永磁同步电机中,选取状态变量为定子电流is,建立LSTA-SMOddtis=k1|is|12F(is)k3is+1LsusRssis+w(k2F(is)dt k4is).(15)观测器动态误差方程如下所示:ddtis=k1|is|12F(is)k3is+(is)+w(k2F(is)dt k4is)+EsLs,(16)其中(is)为系统的扰动项,其表达式为(is)=RsLsis
24、+,RsLsis是系统扰动项中的线性部分,可视为系统中的其他微小扰动.k3is和w(k4is)这两项的引入可以增强LSTA-SMO对动态误差的抑制能力,并且提高系统的收敛速度.对于永磁同步电机运行过程中如交叉耦合效应、电机参数量微小摄动等引起的微小扰动,LSTA-SMO在滑模面附近具有强抗扰能力;对于运行过程中突加负载、转速突变等较大扰动,LSTA-SMO能够更快回到滑模面.因此LSTA-SMO能增强系统模态趋近滑模面时的动态性能,提高系统鲁棒性.系统稳定在滑模面时,估算反电动势由下式求出:Es=Lsk1|is|12F(is)+Lsk2is+Lsw(k2F(is)dt+k3is).(17)4.
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