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基于滑模观测器的无轴承永磁同步电机无速度传感器矢量控制

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迫扎与控制应用2016,43(10) 控制与应用技术E嘣IA 基于滑模观测器的无轴承永磁同步电机 无速度传感器矢量控制 木 陶 涛, 唐明军, 花良浩, 周 杰, 吕志香 (扬州工业职业技术学院电气与信息工程学院,江苏扬州225127) 摘要:为解决无轴承永磁同步电机矢量控制系统中传统机械式传感器带来的成本及可靠性等问题,将 滑模观测器技术应用到其控制系统中。该系统采用滑模面及滑模等效控制方法,并基于转矩绕组观测电流和 其实测电流差值构建滑模面,观测电机反电动势,从而实现转子位置角及转速的精确估算。利用MATLAB仿 真软件构建了无速度传感器运行仿真系统,对电机转速、转角信号进行辨识。仿真结果表明:滑模观测器的 转角、转速信号辨识精度较高,并能满足无轴承永磁同步电机无速度传感方式的稳定悬浮运行要求。 关键词:无轴承永磁同步电机;滑模观测器;速度自检测;转角自检测 中图分类号:TM 351 文献标志码:A 文章编号:1673-6540(2016)10-0009-05 Seneorless Vector Control of Bearingless Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Sliding Mode Observer TAO Tao,TANG Mingjun,HUA Lianghao,ZHOU Jie,LV Zhixiang (Department of Electronic and Electrical Engineering,Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,China) Abstract:A novel control strategy based on sliding mode observer was present for the purpose of solving the problems of cost and reliability caused by the mechanical sensor of the bearingless permanent magnet synchronous motor(BPMSM)vector control system.The sliding—mode surface and the sliding・mode equivalent control method was used in the control system.And,the sliding—mode surface was defined on the errors between the actual and estimated currents.The estimated back—EMF was observed to calculate the angle and speed of the rotor.Simulation system of speed sensorless Was constructed in MATLAB/Simulink enviornment and simulations of speed/angle identiifcation for the rotor were carried out.The simulation results had showed that sliding mode observer speed/angle identiifcation precision was very well and was able to achieve stable sensorless suspension running. Key words:bearingless permanent magnet synchronous motor(BPMSM);sliding mode observer;self- sensing for rotor speed;self-sensing for rotor angle O 引 言 护、寿命长。因此,其可实现高速及超高速运行, 是高速电机传动领域里的一项重大突破¨引。 无轴承永磁同步电机(Bearingless Permanent 基于转子磁场定向的解耦算法可实现径向悬 Magnet Synchronous Motor,BPMSM)是一种结合 浮力和转矩的控制,转子磁场定向控制需要 了磁悬浮技术并集永磁同步电机优良特性于一体 能获得精确的转角、转速信号,从而获得磁场定向 的新型电机。因此,其既具有永磁同步电机固有 所需磁通的位置,进而实现转矩和径向悬浮力解 特征:高功率、高能量密度、高功率因数;同时兼 耦控制,最终满足BPMSM稳定悬浮运行要求。 具磁悬浮轴承优异性能:无摩擦、无需润滑、免维 传统BPMSM矢量控制系统中位置/转速信号均 基金项目:江苏省大学生实践创新训练计划(201513754005Y);扬州市重点研发项目(Y Ol5O84) 作者简介:陶涛(1988一),男,硕士研究生,讲师,研究方向为无轴承电机智能控制技术。 一9一 控制与应用技术眦A 采用机械式传感器测量,而机械式传感器的安装 与使用不仅使电机体积、成本增加,可靠性降低, 更严重了BPMSM高速优良性能的发挥。因 此,BPMSM无速度传感器技术因其具有重要的现 实意义和广阔的应用前景,从而成为当前及未来 的研究热点 。 国内外学者针对电机无速度传感技术提出了 很多控制方法,大体可以分为三类[ J:一类是 基于电机理想模型的开环计算方法,如直接计算 法、基于电感变化的估算法及反电动势积分法等, 这类方法计算过程简单,在电机参数正确的前提 下能够得到较为准确的转子位置估算结果,开环 计算的方法原理简单,动态响应较快,但是这类方 法极易受参数变化影响,算法不稳定。另一类是 基于各种观测器模型的闭环算法,当前应用较为 广泛的有扩展卡尔曼滤波器、滑模观测器、模型参 考自适应算法及其他自适应算法等,电机无速度 传感器控制在速度观测精度和系统的稳定性上都 有了很大的提高。最后一类是以高频注入法为典 型代表的基于电机非理想特性的算法,利用凸极 机自身的凸极特性或者在高频信号下隐极机所表 现出来的凸极特性,来估算电机转子位置和转速, 为无位置传感器在极低速下的应用提供了新的 思路。 本文通过借鉴传统永磁电机无速度传感器检 测方法,提出基于滑模观测器的BPMSM无速度 传感器矢量控制系统。通过在转矩绕组观测电流 和其实测电流的误差上构建滑模面,观测电机反 电动势,从而实现转子位置角及转速的精确估算。 仿真结果表明:滑模观测器的转角、转速信号辨 识精度较高,并能满足BPMSM无速度传感方式 的稳定悬浮运行要求。 1 BPMSM数学模型 BPMSM径向悬浮力产生的实质是由于悬浮 力绕组所产生的磁场打破了原有转矩绕组所建立 的气隙磁场平衡,从而产生作用在转子表面的径 向悬浮力。将转矩绕组极对数数值大小设为P , 悬浮力绕组极对数数值大小设为P ,理论分析与 试验结果均有力地证明了无轴承电机若需实现正 常运行和稳定悬浮功能,必须满足以下三个条件, 缺一不可:(1)P =p .4-1;(2)两磁场旋转方向 迫扎与楦母J应用2016,43(10) 相同;(3)产生旋转磁场的电流电角频率一致。 为了更为清晰地描述本文所建立的数学模 型,现定义相关参数变量。定义 M、 PM分别 为转矩绕组磁链、悬浮力绕组磁链、转子永磁体产 生的磁链, 为相应绕组磁链直 轴、交轴分量; M、iB分别为转矩绕组电流、悬浮力 绕组电流,iMd、 Bd、 为相应绕组电流在直轴、 交轴上的分量。 当转矩绕组极对数P 与悬浮力绕组极对数 p 均≥2且满足pB:pM±1时,转矩绕组磁链 M 与悬浮力绕组磁链 之间没有相互交链。由于 本文采用的是表贴式BPMSM,对于转矩绕组,有 LMd=LM =LM;对于悬浮力绕组,有LBd=L =LB。 因此,当转矩绕组极对数p 与悬浮力绕组极对数 pB均≥2且满足p =p ±1时,BPMSM的转矩绕 组与悬浮力绕组磁链方程分别为 f【  Mq=LMi№ LMiMd+ (1) 』L B d: B Bd (2) =LB 当电机稳定运行,且转子稳定悬浮时,转矩绕 组与悬浮力绕组电压方程分别为 fUMd 一PMtO ̄Mq+RuiMa f 【 Mg=PMa,OMd+ M Mg J珏Bd 一PM∞ + B Bd f4、 【 =PM B +RBiB口 式中: ——两相旋转坐标系下的转矩绕组 电阻; R ——两相旋转坐标系下的悬浮力绕组 电阻; ——同步旋转机械角速度。 对于表贴式BPMSM,当转子处于中心位置 时,BPMSM的电磁转矩表达式应与普通永磁同步 电机的电磁转矩表达式一致,即: : M(tf,Md M 一 iMd) (5) BPMSM转子受到的径向力包括三部分:转 子在电机气隙磁场中受到的麦克斯韦力构成的径 向力;载流转矩绕组在悬浮力绕组气隙磁场中受 到的洛仑兹力,与载流悬浮力绕组在转矩绕组气 隙磁场中受到的洛仑兹力的作用于转子的反作用 迫扎与控制应田2016,43(10) 控制与应用技术E脯队 力构成的径向力;由于转子偏心引起气隙磁场分 布不均而产生的径向力。所以BPMSM的径向悬 d r= 。= M—iM):Ae 一的M+ K 浮力为 m丽 卜 Jj}。【(IpM+t Md+ ) ]。吲 式中:k k kq——常数; ,PM——转子永磁体激励的磁场等效至转 矩绕组中的电流部分。 2滑模观测器的设计 本文研究的对象是转矩绕组极对数P :2、 悬浮力绕组极对数P :3的表贴式BPMSM。其 转矩控制模块在静止两相坐标系a-/3下的数学模 型为 =Ai +B M+ (7) 其中: A=(一R / )・, B=(1 M)・, 式中:iM——转矩绕组 轴电流,i =( , ) ; M ——转矩绕组 、卢轴电压, =( , “8)T; E ——转矩绕组 、 轴反电动势,E = (E , ) ; R ——转矩绕组电阻; ——转矩绕组电感。 可定义滑模面.s为 S=(s1,s2) =iM—iM=e =0 (8) 电流的滑模观测器为 未 : +砜+ (9) 且 =[ sgn(/ ̄一 ),hsgn( 一 )] 式中:t’M——转矩绕组 、 轴观测电流, iM=(i ,i8) ; ——滑模增益; sgn——符号函数。 式(9)减去式(7)得转矩绕组电流观测误差 的状态方程为 (10) 如果满足式(11)所示的滑模条件,则系统进 入滑模状态: ss <0 (11) 滑模增益h必须足够大才能满足到达滑模状 态的条件,但若其值过分大将会引起抖振噪声,从 而导致估计误差,因此选择合适的滑模增益是问 题的关键。取正定Lyapunov函数: 一 ( --EM)}=A・+Az (12) 其中: A1—1 £ =一 R ( 一 ) + (( 一£一i )一  ll£一i£一 I I m M M (13) 一 ( + ( 一 1 一 I M M M (14) 取滑模增益为 h>max{A sgn(£一 )一R l£一i I, Aasgn( 一 )一 } 一 }}+艿 (15) 式中: ——正常数。 A。,A 均小于0,从而使得 <0,满足滑模条件 式(11),进而系统得以进入滑模状态。此时,有 =e =0 (16) 将式(16)代入式(10),可得 EM=K (17) 将不连续的含有高频成分的切换控制量经过 适当的低通滤波器后得到等价控制量,即估算反 电势: [hsgn(i 一i )] =E =一KE∞ sin0 (18) [hsgn(ip一 )]。 = =一KE∞ cos0 (19) 根据式(12)、式(13)可计算求得转子位置角: =aretan[.(hsgn(i 一 ))叼,( sgn( 一 ))唧] (20) 将0 对时间求导即可求得转子的估算速度 。 控制与应用技术E帐 迫扎与控制应闭2016,43(10) 3 BPMSM无速度传感器控制系统 仿真研究 BPMSM控制包括电磁转矩和径向悬浮力控 浮力绕组极对数P =3,永磁体励磁磁通g,p = 0.175 Wb,转矩绕组电阻RM=2.875 n,转矩绕组 电感£^fd=LMq=LM=8.5 mH,给定转速n = 8 000 r/min。 制两部分。电磁转矩控制采用t—d=0的转子磁场 定向矢量控制方式实现闭环控制;径向悬浮力控 制通过对转子径向位移变化量进行检测,再通过 位移调节器控制悬浮绕组中的电流来实现对径向 在一定转速下转子位置角实测值与估计值如 图2所示。由图2可知,瞬时和稳态条件下,转子 位置角辨识性能良好,实现了转子位置角的精确 估算,为BPMSM转速有效辨识及稳定悬浮运行 位移精确控制。因此,采用了滑模观测器的 奠定了基础。转子转速实测值与估算值如图3所 BPMSM无传感器矢量控制系统框图如图1所示。 示。由图3可知,转子在动态加速和平稳运行过 在仿真过程中选用变步长ode23t仿真算法,起始 程中,转速估算值对转速实测值能实现良好的跟 时间0 S,终止时间0.1 s。仿真选用的参数如下: 踪特性。图4为转子起伏波形。由图4可看出, 转矩绕组额定电压220 V,额定电流4 A,转动惯 转子在径向悬浮力作用下能够快速地向气隙中心 量J=0.000 8 kg・m ,转矩绕组极对数P =2,悬 处运动,在约0.03 s转子实现了稳定悬浮。 图1基于滑模观测器的BPMSM无传感器矢量控制系统框图 0 0.02 0.04 0.06 0.O8 0.10 t/s 图2 8 000 r/min转速下转子位置实测值与估计 图3 转速实测值与估算值 一12一 迫札与粒制应闭2016,43(10) 控制与应用技术E帐 同步磁阻电机无速度传感器研究[J].微电机, 2012,45(10):43-47. 朱幌秋,陈朝亮,邓建明,等.无轴承永磁同步电机 无速度传感器控制系统[J].电机与控制应用, 2008。35(5):18-22. 黄雷,崔迎.基于滑模观测器的永磁同步电机无传感 器矢量控制[J].机电工程,2012,29(11):1303-1305. 陈坤华,孙玉坤,吴建兵,等.基于电感模型的开关 图4转子起伏波形图 磁阻电机无位置传感技术[J].电工技术学报, 2006,21(11):71-75. 4 结 语 BOSE B K.Modem power electornics and AC drives 本文采用滑模面及滑模等效控制方法,并基 [M].Beijing:Pearson Eduation North Asia Limited and China Meehine Press,2002. 于转矩绕组观测电流和其实测电流差值构建滑模 CHEN Z Q,TOMITA M,ICHIKAWA S,et a1. 面,观测电机反电动势,从而实现转子位置角及转 Sensorless control of interior permanent magnetic 速的精确估算。利用MATLAB仿真软件构建了 synchronous motor by estimation of an extended rL rL rL rL rL rL rL rL rL 无速度传感器运行仿真系统,对电机转速、转角信 4 5 6 7 8 elect9 romotive force[C]//IEEE Iry Applocations ]J 1J]J 1J 1J ]m J U ndust1j1J 1J Conferences,2000:1814-1819. 号进行辨识。仿真结果表明:滑模观测器的转 张猛.无机械传感器永磁同步电机控制及磁链观 角、转速信号辨识精度较高,并能满足BPMSM无 测[D].北京:清华大学,2007. 速度传感方式的稳定悬浮运行要求,为今后搭建 WANG L M,LORENZ R D. Rotor position BPMSM无速度传感试验平台奠定了理论基础。 estimation for permanent magnet synchronous motor using saliency-tracking self-sensing method[C]∥ 【参考文献】 Pmc of IEEE—IAS 2000 Annual Meeting,Rome, [1]THOMAS N,PHILIPP K,FRANZ Z,et a1. Italy,2000:445-450. Magnetically levitated slice motors.an overview[J]. 李永东,朱昊.永磁同步电机无速度传感器控制综 IEEE Transactions on Industrial Applications,201 1, 述[J].电气传动,2009,39(9):445—450. 47(2):754-766. U H R,WANG J H,GU S S,et a1.A Neural- [2]年珩,贺益康,黄雷.内插式永磁无轴承电机转子 network-based adaptive estimator of rotor position and 位置/位移综合自检测[J].中国电机工程学报, speed ofr permanent magnet synchronous motor[C]// 2007,27(9):53-58. IEEE ICEMS,2001:735-738. [3] 周令康,曹莉,王毅,等.基于高频注入法的无轴承 收稿日期:2016—06—18 本刊投稿须知 随着技术发展和创新升级,尤其是感测、信号 行保护、智能调速等技术;(4)并网与电驱动:涉 处理、仿真分析等技术快速发展,电机行业发展迎 及风电并网控制、电动汽车驱动等技术;(5)系统 来新机遇,技术领域拓展到高效电机及再制造、风 节能运行:涉及电机应用系统节能相关技术。 电并网控制、系统节能运行、智能调速与保护、电 为及时、全面刊载上述技术领域的最新技术 驱动等专业领域。 动态,推广研发成果、工程经验及新产品应用方 2014年《电机与控制应用》期刊内容涉及五 案,推动研究与应用的紧密结合,从专家、行业用 大板块:(1)电机设计与制造:涉及电机制造新 户、企业产品介绍及应用案例等多方面报道电机 工艺、新材料、高效电机及再制造、智能制造等技 及其控制技术,欢迎广大科研技术人员及团队向 术;(2)电机测试与检测:涉及电机及系统运行的 本刊投稿! 状态感测、快速信号处理、电机运行故障诊断、智 本刊现在只接受通过官网在线稿件系统 能在线检测等技术;(3)电机调速与保护:涉及 (http://motor.abc.chinaelc.on)的投稿,投稿系统 变频调速、高性能调速、运动控制、电机起动及运 已升级,敬请注意! 一13一 

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