基于磁鏈觀測(cè)器的永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)研究.pdf

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）具有體積小、效率高、可靠性高以及對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各種高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)不但能夠降低系統(tǒng)成本，而且能夠增加系統(tǒng)可靠性，是當(dāng)前電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。無傳感器控制技術(shù)的研究在高速電機(jī)、微型電機(jī)、航空航天、水下機(jī)器人、家用電器等一些特殊場合具有重要意義。本文以永磁同步電動(dòng)機(jī)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)滑模觀測(cè)器為研究重點(diǎn)，對(duì)磁鏈觀測(cè)技術(shù)、參數(shù)誤差影響、高階滑?？刂啤⑽恢煤退?/p>

2、度估算及觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行了深入研究，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)分析。
　　傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器是建立在以電流為狀態(tài)變量的二階狀態(tài)方程基礎(chǔ)上，進(jìn)行PMSM反電勢(shì)觀測(cè)，此時(shí)滑模控制率由符號(hào)函數(shù)組成，在數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)存在嚴(yán)重抖振現(xiàn)象，觀測(cè)結(jié)果無法直接使用。使用低通濾波器會(huì)引起觀測(cè)值幅值和相位發(fā)生變化，無法忽略并難以進(jìn)行精確補(bǔ)償。
　　本文在分析表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程和磁鏈變化規(guī)律基礎(chǔ)上，建立以電流和磁鏈為狀態(tài)變量的四階擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程，提

3、出擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)滑模觀測(cè)器。在觀測(cè)器電流方程部分，以電流偏差建立滑模面，采用滑模面的符號(hào)函數(shù)構(gòu)成滑?？刂坡首鳛檩斎?，并利用Lyapunov定理證明廣義滑?？蛇_(dá)性，進(jìn)一步得出滑模增益矩陣自適應(yīng)率。在觀測(cè)器磁鏈方程部分，將滑模控制率乘以反饋矩陣作為輸入，當(dāng)滑模運(yùn)動(dòng)發(fā)生后，磁鏈誤差漸近收斂到零。該觀測(cè)器的特點(diǎn)是，滑?？刂坡手卸墩窨梢员淮沛湻匠虨V波而不影響觀測(cè)值，因此可使用磁鏈觀測(cè)值直接進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置和速度計(jì)算，避免了額外采用低通濾波器所帶來的相位變化

4、。同時(shí)觀測(cè)器引入了轉(zhuǎn)子角速度作為參數(shù)，該參數(shù)是時(shí)變的且在動(dòng)態(tài)過程中將會(huì)存在一定誤差。根據(jù)此誤差存在時(shí)磁鏈觀測(cè)應(yīng)相互解耦原則進(jìn)行選擇反饋矩陣，可保證觀測(cè)器中轉(zhuǎn)速參數(shù)存在誤差時(shí)也可以正確地計(jì)算出轉(zhuǎn)子速度。
　　由于內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的電壓方程中電感系數(shù)是時(shí)變的，無法直接應(yīng)用上述觀測(cè)器。本文通過對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下電壓方程做適當(dāng)變換，推導(dǎo)出靜止坐標(biāo)系下含有時(shí)不變參數(shù)的狀態(tài)方程。通過定義等效磁鏈，可以將基于靜止坐標(biāo)系下的觀測(cè)器技術(shù)

5、應(yīng)用在內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)子角度和速度的估算，并近一步利用Lyapunov定理推導(dǎo)出參數(shù)取值方法。
　　由于測(cè)量方法或工作狀態(tài)的變化，觀測(cè)器中參數(shù)將會(huì)存在一定誤差。本文著重分析角速度誤差存在時(shí)磁鏈觀測(cè)結(jié)果變化規(guī)律，推導(dǎo)出幅值和相位變化與轉(zhuǎn)速誤差大小和觀測(cè)器反饋矩陣的關(guān)系。對(duì)于定子電阻和電感誤差，通過分析得到磁鏈觀測(cè)誤差與與電流相位關(guān)系，結(jié)合交流電機(jī)矢量控制理論中電流和磁鏈的相位關(guān)系，推導(dǎo)出磁鏈觀測(cè)值實(shí)際值之間的相位關(guān)系，即

6、轉(zhuǎn)子角度估算值與實(shí)際值之差。
　　磁鏈觀測(cè)的目的是計(jì)算出轉(zhuǎn)子角度和速度，本文采用一種基于鎖相環(huán)的方法計(jì)算磁鏈周期和相位，從而得到轉(zhuǎn)子角度和速度，該方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和低通濾波等特點(diǎn)，可減小磁鏈觀測(cè)值擾動(dòng)影響。轉(zhuǎn)子速度估算動(dòng)態(tài)響應(yīng)與觀測(cè)器和鎖相環(huán)有關(guān)，進(jìn)一步分析了觀測(cè)器和鎖相環(huán)參數(shù)對(duì)角速度估算暫態(tài)影響。對(duì)于電機(jī)在零速時(shí)起動(dòng)問題，采用虛擬位置和電流閉環(huán)控制相結(jié)合的起動(dòng)策略，并說明了速度閉環(huán)切換方法。
　　為進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速閉環(huán)動(dòng)態(tài)

7、響應(yīng)，本文在傳統(tǒng)滑模面基礎(chǔ)上引入非線性滑模面，并選取適當(dāng)控制率，構(gòu)成二階非奇異終端滑模觀測(cè)器。控制率含有開關(guān)函數(shù)的積分形式，與原有直接含有開關(guān)函數(shù)相比抖振現(xiàn)象大大減小，并利用Lyapunov定理證明了觀測(cè)器的穩(wěn)定性，推導(dǎo)出參數(shù)取值方法。由于抖振的減小，可增加觀測(cè)器帶寬，從而提高速度閉環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　對(duì)無傳感器永磁同步電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以該控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，給出擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)滑模觀測(cè)器的離散方法和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，以及基于MAT