無速度傳感器的永磁同步電動機滑模控制

    李淵^1,2，何鳳有¹，余躍¹

(1中國礦業大學，江蘇徐州221008；2江蘇大學，江蘇鎮江212013)

    摘要：采用反演控制理論構造了永磁同步電動機的速度觀測器，并運用滑模變結構控制理論設計了系統控制策略。該方法利用，反演控制穩定性強，動、靜態性能優良的特點，設計的觀測器結構簡單、精度高、穩定性好。使用滑模控制理論沒計系統總體控制方法，可以有效抑制負載和參數變化帶來的擾動，從而提高了系統的魯棒性。文章對所提出的控制策略進行了理論分析，并且通過Matlab進行仿真實驗一仿真結果表明，該控制方法有效地實現了電機的轉速跟蹤，具有良好的動、靜態特性和魯棒性。

    關鍵詞：水磁同步電動機；無速度傳感器；滑模控制；反演控制

    中圖分類號：TM34l    文獻標識碼：A    文章編號：1004—7018f2加9)12—0045—03

O引  言

    永磁同步電動機(以下簡稱PMsM)具有體積小、結構簡單、可靠性高、調速性能優良和魯棒性強等優點，被廣泛應用于各種高精度調速控制系統中。然而，由于PMsM調速系統本身的非線性以及電機參數不準確等因素，使得對其實現高精度控制成為一個復雜的問題。

    無速度傳感器控制是現代交流調速的一個重要發展方向。目前已有學者將擴展卡爾曼濾波、模型參考自適應、高頻注入和神經網絡等控制方法應用于PMsM的控制中，并且取得了較好的效果^[1]。

    本文采用反演控制方法設計和研制了PMsM的轉速觀測器。由于反演控制具有穩定性強，動、靜態特性優良的特點，因此基于該方法設計的轉速觀測器具有精度高、穩定性好、動態反應迅速等優點。此外，為了提高系統抑制電機參數變化和負載變化帶來的影響，系統的總體控制策略采用滑模變結構控制，從而有效地提高了系統的抗干擾能力。文中詳細分析了所提出的控制策略，并通過仿真驗證了控制方法的有效性。

1 PMsM數學模型

    本文采用的PMsM數學模型以同步旋轉轉子坐標為基礎，并且假設交、直軸電感相等，即L_d=L_q=L^[2]：

式中：u_d、u_q為d、g軸定子電壓；i_d、i_q為d、q軸定子電流；R為定子電阻；L為定子電感：TL為負載轉矩；J為轉動慣量；B為粘滯摩擦系數；P為極對數；ω為轉子機械角速度；Ψf為永磁磁通。

2控制系統設計

    由于定子電流直軸分量給定為零，所以定義^[3-6]:

3  無速度傳感器設計

   系統速度ω的值使用反演控制方法構造獲得. 令:ω=ω-ω,ω為電機轉速的觀測值,ω為觀測值與實際值的誤差^[7].

     應用反演控制方法定義子控制系統的Lyapunov函數:

4系統仿真分析

    系統總體框圖如圖l所示。其中電機參數為：定子電阻R=3Ω；極對數p=2；轉動慣量，=O．001kg.m2；永磁磁通Ψf=0.8 wb；定子電感為L=0.006 H，粘滯摩擦系數為B=O．000 l。

    由于控制器需要速度給定信號的一、二階導數因此仿真系統中采用了如圖2所示的方法來平滑地輸出階躍給定信號及其一、二階導數號[8]。圖中a1=8 500，a2=0．02。    

      控制器中相關參數取為:μ1=50;μ2=80;c=l 500；σ=O．1 圖3表明了系統轉速跟蹤階躍給定的性能。當t=0．3 S時，給定轉速由100 r／min升至120 r／min：在t=0．6 s時，給定轉速由120 r／min升至130 r／從圖3a中可以看出系統能精確地跟蹤給定轉速。圖3b中上半部分反映了估計轉速與給定轉速的誤差，下半部分反映了估計轉速和實際轉速之間

的誤差。