基于滑模观测器的无位置传感器永磁同步电机研究讲诉.ppt

基于滑模观测器的无位置传感器 永磁同步电机研究 黎永华 08.12.16 ? 1. 研究意义 永磁同步电机调速系统是以永磁同步电机为控制对象，采用变压变频技术对电机 进行调速的控制系统。因其具有能耗低、可靠性高、控制精确等优点，在许多领 域得到广泛的应用。 PMSM 控制系统稳定运行是建立在闭环控制基础之上的，如何 获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。当前，在大多数调速 驱动系统中，最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器 , 不过传感器增加了系统 的成本，降低了系统的可靠性和耐用性。因此，无位置传感器的控制系统有着广泛 的应用前景。它通过测量电动机的电流、电压等可测量的物理量，通过特定的观测 器策略估算转子位置，提取永磁转子的位置和速度信息，完成闭环控制。 主要优点： 1 、减少成本 2 、减小电机体积 3 、提高系统可靠性 4 、减少系统维护量 ? 2. 国内外研究现状 电力电子器件的发展为电机调速奠定了物质基础。高速数字信号处理器 (DsP) 的 高速处理能力使无位置传感器电机控制技术的复杂算法得到实现，近 10 年来， 各国学者致力于无位置传感器控制系统的研究，并且提出了几种切实可行的方 法，目前，适用于永磁同步电机位置估算的主要策略有： （ 1 ）利用定子端电压和电流直接计算 ω 和 θ （ 2 ）基于观测器基础上的估算 （ 3 ）模型参考自适应 （ 4 ）人工智能理论基础上的估算 ? 3. 研究内容 ? 本课题研究的主要目标是基于滑模观测器实现永磁同步电 机无位置传感器调速控制，使得在实际的电机控制中能够完全 脱离位置传感器，并且能够达到采用位置传感器控制时一样的 控制效果。 无位置传感器系统框图 ? 3.1 滑模变结构控制 滑模变结构控制是一种非线性控制，其对于系统的摄动、不确定性及外扰动具有完 全的自适应性。但是它的自适应控制有本质的差别，自适应控制是利用对系统参数 的在线辨识，从而修改控制的参数来更好地削弱系统的不确定性的影响，而变结构 控制是依靠其自身的滑动模态，通过改变切换状况来抵御不确定性。变结构控制的 根本思想是反向控制，而反向控制独特的性能上强制性，具有极强的鲁棒性，从物 理的角度而言，变结构控制总是产生最大作用，最大加速，最大减速，加速过程中 没有减速，减速过程中没有加速。 抖动是滑动变结构应用存在的主要问题，其控制机理决定了其输出必定存在抖动， 也正因为此其具有极强的鲁棒性。 ? ? ? ? ? ? ? ? bu x a x a x x x 2 2 1 1 2 2 1 0 ? b 以二阶系统为例 式中 x1 和 x2 是状态变量， a1 ， a2 ， b 是定常或时变参数 考虑不连续系统 ? ? ? ? ? ? u u u 0 s ? 0 s ? u u ? ? ? 式中 切换函数 s 为： 1 2 s cx x ? ? c0 直线 s=0 是切换线，在这个切换线上， u 是不连续的。 设 t=0 时，状态 x 在 s0 一侧，在 u=u+ 作用下，在某个时限后到达 s=0 ， 并进入 s0 一侧， u=u- ，又往 s=0 控制。 …… 当系统在滑模状态时， 0, 0 s s ? ? 0 0 sin cos e e e e e e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 1 u R i e L L L u R i e L L L i i ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? PMSM 在 ? ? 坐标系下的数学模型 假设 0 e ? ? ? 即转速变化很慢时，电机的反电动势模型： e e e e e e ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 可以看出转子角速度、位置只与反电动势有关， 于是我们可以通过观测其反电动势来确定转子的 角速度、位置。 滑模观测器在无位置观测器系统中的应用 1 1 1 ( ) 1 ( ) K R i i e sign i L L L K R i i e sign i L L L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 设滑模观测器状态方程： T s i i ? ? ? ? ? ? ? 切换函数为： 1 1 ? ? ( ) ? ? ( ) u K R i i sign i L L L u K R i i sign i L L L ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? i i i ? ? ? ? ? ? i i i ? ? ?