基于磁鏈觀測器的永磁同步電動機矢量控制系統

  唐挺，梁暉

(北京交通大學，北京100044)

    摘要：將改進型積分器作為永磁同步電動機(PMSM)的磁鏈觀測環節，通過定子磁鏈觀測實現對PMSM磁極位置的估計，結合矢量控制構成無位置傳感器矢量控制系統。該改進型積分器消除了純積分器帶來的初值不準確、直流偏移等問題，又可以獲得比低通濾波器更優的性能。仿真結果表明，PMSM無位置傳感器矢量控制系統動靜態勝能好，抗干擾能力強。

    關鍵詞：永磁同步電動機；無位置傳感器；磁鏈觀測器；矢量控制；仿真

    中圖分類號：TM341    文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0040—03

0 引言

    永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)具有體積小、重量輕、功率因數高、效率高、低速力矩特性好等優點而廣泛應用于現代交流傳動系統中。PMSM的運動控制需要精確的轉子位置和速度信號來實現磁場定向。在傳統的運動控制系統中，通常采用旋轉變壓器或光電編碼器來檢測速度和轉子位置。這些傳感器給電機的運行帶來了一系列的問題，加大了電機的尺寸，降低了系統的可靠性，增加了調速系統的成本。因此，采用無位置傳感器控制技術就成為PMSM調速系統的一個發展方向。

    目前，各國學者已經提出了很多電機轉子速度和磁極位置的估算方法。按其理論上的特點，大致分為：(1)基于PMSM基本電磁關系估算轉速的方法。該方法計算簡單、動態相應快，但是對電機參數的魯棒性差；(2)基于電機凸極效應的估計方法。該方法不依賴于電機的基波方程和參數，可在全速范圍內實現位置估計，但需要額外的硬件電路，增加了系統成本和不穩定性；(3)基于各種觀測器技術的位置辨識方法。這種方法動態性能好、穩定性高、參數魯棒性強，然而算法復雜，計算量很大，受到計算機和微處理器計算速度的限制；(4)人工智能理論基礎上的估算方法。它們不需要系統精確的數學模型，并且可被應用于非線性系統。但是復雜的算法、繁重的計算量及對系統控制所需的專家知識卻大大限制了這些方法在實際中的應用。

    本文采用了一種改進的磁鏈觀測器，實現對定子磁鏈的觀測和磁極位置的估計，構成了新型的無位置傳感器PMSM SVPWM系統。仿真表明，系統對電機參數的變化有良好的魯棒性，在較低速范圍區內運行時，取得良好效果。

1 PMSM的數學模型

    為建立PMSM的d—q軸數學模型，首先作如下假設：忽略電動機的鐵心飽和；不計電動機中的渦流和磁滯損耗；電動機的電流為對稱電流，從而得到以下簡化的電壓、磁鏈、電磁轉矩和機械運動方程。

式中：u_d、u_q、i_d、i_q、Ψ_d、Ψ_q、L_d、L_q分別為d—g軸定子電壓、電流、磁鏈、電感，R為定子電阻，p為極對數ω_m為轉子角速度，ω_e為機械角速度，T_e為電磁轉矩，T_L為負載轉矩，Ψ₀為永磁體磁鏈，J為轉動慣量，B為阻尼系數，p為相分算子。如圖l所示。

2磁鏈觀測器原理

    PMSM磁鏈模型傳統上采用U-I模型：

    這種模型最為簡單和常用，它在高速域精度高，很有優勢，但在低速域因積分式中的Ri_s項的誤差使模型精度嚴重下降。同時，由于采用純積分器來估計定子磁鏈，存在直流偏移和初始值問題，且永磁同步電動機轉子上有初始激磁，轉子磁極定位方法不可避免地帶來轉子激磁的初始值在幅值和相位上的不準確。因此，本文引入了一種新型的改進型積分器來觀測定子磁鏈。該改進型積分器不但適合于同步電機控制中磁鏈給定為一恒值，而且適合于磁鏈估計存在初始條件不準確的因素。

    帶飽和限幅反饋的改進積分器結構如圖2所示。

    該觀測器是專門為交流電機磁鏈估計而設計的。在交流電機控