SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用.pdf

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第11卷第4期2007年7月电机与控制学报ELECTRICMACHINESANDCONTROLVoL1lNo4July2007SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用郭清风，杨贵杰，晏鹏飞（哈尔滨工业大学电气工程学院，黑龙江哈尔滨150001）摘要：

为了开发一种成本低、可靠性好、维护简单的无位置和速度传感器的控制方法，在分析永磁同步电动机PMSM的数学模型和滑模变结构控制基本理论的基础上，建立了基于滑模观测器SMO的PMSM无传感器驱动控制系统模型。

以TMS320LF2407ADSP为核心构建了PMSM无传感器驱动控制系统，并进行了仿真和实验研究。

结果表明，所提出滑模观测器能够准确地估算出电机的位置信息，并且系统具有较好的静、动态特性。

从而验证了滑模观测器在无位置传感器PMSM驱动控制系统中应用的可行性和正确性。

关键词：

永磁同步电动机；滑模观测器；无传感器；矢量控制中图分类号：

TM30l文献标识码：

A文章编号：

1007-449X（2007）040354一05ApplicationofSMOforsensorlessdrivenandcontrollingsystcofPMSMcontrollingsystemorPMSGUOQing-feng，YANGGui-jie，YANPengfei（SchoolofElectricalErlgineering，HarbinInstitute0fTechnology，Harbin150001，China）Abstract：

Alowcost，higlIreliabilitypositionandspeedsensorlesscontrolschemeispmpodinthepa-perThepaperhasdesignedthesensorlesscontrollingsystemofPMSM（permanentmagnetsynchronousmotor）basedonSMO（slidiIlgmodeobserver）byanalyzingthemodelofPMSMandthetheoryofSMOThesystemistestedandverifiedontheexperimentalplatformofsensorlessPMSMsystembasedonTMS320LF2407ADSPTheresultsshowthattheapproachhasbetterperformanceinpositionestimationandthesystemhasbetterperformancebothinstaticanddynamic，therebyverifiedthecorrectnessanda_vailablenessoftheapproachKeywords：

permanentmagnetsynchronousmotor；slidingmodeobserver；sensorless；vectorcontrol1引言在传统的永磁同步电机驱动控制系统中，一般需要在转子轴上安装机械传感器（例如，光电编码器，旋转变压器等）以获取电机的速度和位置信息。

但机械传感器的存在增加了系统的体积和成本，降低了系统的可靠性，同时也限制了永磁同步电动机系统在一些特殊场合的推广应用。

为了克服机械传感器给永磁同步电机系统带来的缺陷，研究开发一种成本低、可靠性好、维护简单的无位置和速度传感器的控制方法，逐渐成为电机控制技术领域中的研究热点之一。

滑模变结构控制是一种解决非线性系统问题的综合方法，具有对系统数学模型精确度要求不高，对系统参数变化、内部摄动以及外界环境扰动具有自适应性，因此具有很强的鲁棒性，另外还具有控制算法简单、易于工程实现的优点刁J。

因此本文主要研究基于滑模观测器的PMSM驱动控制系统模型及控制算法，实现无传感器PMSM系统的收稿日期：

200r7一舵-08作者简介：

邦清风（1982一），男，硕士研究生，主要研究方向为PMSM无住置传感器疆动控制技术；杨贵杰（1965一），男，博士生导师，教授，主要研宛方向为一体化电机系统的驱动与拉翻；宴一飞（1979一）。

男。

硕士研究生，主要研宽方向PMSM调逢与疆动控纠。

万方数据第4期SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用355驱动与控制。

2滑模观测器及转子位置估算滑模观测器模型可以根据电机在a-a坐标系下的模型来建立H捌，它通过不断获取电流估计值和测量值之间的偏差来修正模型，使两者之间的偏差逐渐消失，以实现对转子转角和速度的估计。

将估计电流和定子实测电流之差作为切换函数，控制函数采用常值切换控制，然后用自适应数字低通滤波器进行相移补偿，由输出结果即可得到转子位置角的正余弦函数。

PMSM在a一口坐标下的数学模型可表示如下：

苦=一争。

+（Vs-s）。

（1j式中t=i。

，7为a币坐标系下定子电流矢量；y=，7为瑾-卢坐标系下定子电压矢量；毋=e。

，T为a-a坐标系下定子反电势矢量；J为单位矩阵；三为定子相电感；R为定子相电阻。

根据PMSM在a-a坐标下数学模型和滑模变结构理论，可以定义滑模面为5（工）=i一i=0，其中一f。

=乏一i。

，毛一T，于是可构造滑模观测器为673詈=盘+剐_一凰弘o-一）1，

（2）s印（t一）=s弘（己一。

），s弘（毛一）】7Jr1sos弘（s）=0s=0。

（3）【一13o式中f为L的估计值；置=kl为滑模系数矩阵，j为滑模系数，它的选取受滑模条件s（x）；（工）T0的药束五（二譬）I,B二（丢）io-占式

（1）和

（2）可得动态误差估算值：

导=A+届hKsgn（i）】。

（4）式中=i-i=i。

，=i。

一i。

，一T。

根据等价控制原理，在滑模面上有：

j（?

）=；（工）=O，因此，由式（4）可以得到如下表达式：

三焉瓷oz=（，勺）T=（，知）TJ。

7在式（5）中，z为电流误差的开关信号，包含有反电势估算值信息。

通过对开关信号z进行低通滤波可以得到反电势的估算值：

ea2砑，2动。

【oJ式中蛾为低通滤波器的截止频率。

由式（6）的反电势估算值在a田轴的分量可求得转子转角估算值：

丸=arc啪【】。

（7）由于采用低通滤波器来获取皮电势，引入了相位延迟。

因此，需要根据低通滤波器的相位响应，做一个相位延迟表，来获取运行时相应指令速度的相移角口，对氏进行补偿，最后得到转子转角估算值以：

；。

=a。

+AO，AO=目nmtan=-oJ。

（8）3仿真分析与实验验证根据滑模观测器模型及永磁同步电机驱动控制原理，以一台表面磁钢永磁同步电动机为例，进行仿真分析与实验验证。

电机主要参数如表l所示。

表1电机参数Table1ThemoorsparameterO参数数值参数数值额定功率埽，W630定子电阻舔m53额定电压巩V130d,q轴电感厶乱扣H86额定转速nw（rmin）2000转动惯量jkgm325x10所建立的基于SMO的PMSM无位置传感器转子磁场定向控制（瓦=0）系统模型如图l所示；相应的MatlabSimulink仿真模型如图2所示。

图l基于滑模观测器的PMSM矢量控制框图脚ITheblockaiagramofvectorcontrolofPMSMbasedOilSMo圈2基于SMO的无传感器PMSM驱动控制系统仿真模型一2SimulationbleckdiagramcontrolSyStemef。

聊垤鳓讧basedonSMo万方数据356电机与控制学报第11卷图36给出了相应仿真结果。

图3为转子转角的参考值、估算值以及估算误差的仿真波形。

从图中可以看出，基于SMO的转子转角估算值能较好地跟踪转子转角的变化。

图4为电机转速响应波形，可看出基于SMO的无传感器控制系统具有较好的动态性能和稳态性能。

图5中估算电流：

。

和屯能很好地追踪实际电流屯和，并且在滑模面上作滑模运动，其中估算电流沿着参考值上下振荡是滑模观测器固有的抖振现象。

图6所示为电机转速厅=2000rmin，负载转矩在=0025s时，由瓦=0Nm升到瓦=3Nm；然后在=0058时，由正=3Nm升到瓦=6Nm；最后在t=00758时，从瓦=6Nm降到瓦=ONm的电磁转矩、估算转子转速、估算转子转角的仿真波形。

从图中可以看出，采用滑模观测器的无传感器控制具有反应速度快、对外界扰动具有较好的鲁棒性。

86童4饕2O-2lO蛋5慧。

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J删|l|Ji7|fFffyyy|；fif0o0501o15时间，（-）转子转角的参考值、估算值f!

llI|m一n翮一|l。

llfl00102o3040_5时间，s（b）转角误差波形图3转子转角的实际值、估算值和估算误差波形3Actualan#e,estimatedangleandestimatederrorofangleofrotorposition2曼2，蚕1fJf时问，圈4转子转速响应Fig4SimulationwaveformsofSpeed为了进一步验证本文所设计基于SMO的无位寒嚣萋瘿墨袜50-5t|。

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馨-5-10煨脚翼H坡tIH，I，I，f002O04O06O0801时间，3（a）电磁转矩时间s（b）定子A相电流墨6蓬4埏2琳担0时间向（d）估算的转子转角图6转矩、定子相电流、估算速度、估算的转子转角仿真曲线Fig6Simulationcurvesoftorque,estimatedspeedprotorposition,statorcurrent置传感器PMSM驱动控制系统，在一个永磁同步电动磁场定向控制系统的硬件实验平台对系统进行了眉，馏辩琳与!

万方数据第4期SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用357实验验证。

硬件实验平台如图7所示。

实验波形如图89所示。

图8为频率分别为45Hz和15Hz时的转子转角实际值（码盘测定值）以、估算值以的实验波形。

可以看出，在45Hz时，由于反电势很小，其中含有较多的噪音，使得反电势出现不对称，从而导致转子位置角估计不准确。

从45Hz开始，随着频率的上升，反电势不断增加，反电势估计越来越准确，从而能使得估算的转子转角基本上与实际转角棚一致。

图7永磁同步电动磁场定向控制系统的硬件实验平台Fig7TheblockdiagramofexperimentalplatformofmntrolsystemofPl恻融j；!

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，一|tliii|i|卜rrrri-Ia吐，；Il_一-_口DM卅精（b）户151Iz囤8实际转子转角和佶算转手转角试验波形啦8Actualandestimated柚gkofrotorl燃iaoa图9是电机负载电流为05A和15A时，定子电流a节坐标系下a轴电流分量的实际值屯和估算值乞波形。

可看出，负载电流较小时，估算电（a）负载电流为0SA时（b）负载电流为15A时图9轴电流的实际值和估算值的波形Fig9Actualand吲dmatedcurrentwaveformsofaxis流与实际电流有很大偏差，但随着负载电流的增加，估算电流对实际电流有较好的跟踪性。

4结语本文在分析了滑模变结构控制方法的基本原理与特点基础上，建立了基于滑模观测器转子位置检测模型及控制算法。

通过不断获取电流估计值和测量值之间的偏差来修正模型，使两者之间的偏差逐渐减小，以实现对转子转角和速度的估计，并将估计电流和定子实测电流之差作为切换函数。

控制函数采用常值切换控制，然后用自适应数字低通滤波器进行相移补偿，实现了对基于滑模观测器在无位置传感器PMSM系统的驱动控制。

仿真和实验结果表明，所提出的滑模观测器能够准确地估算出电机的位置信息，并且系统具有较好的静、动态特性，从而验证了滑模观测器在无位置传感器PMSM驱动控制系统中应用的可行性。

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2004：

13511355（编辑：

高长福）（上接第353页）4结论I）实心转子永磁同步电机起动速度快，起动电流小，稳态运行平稳，满足工程实际要求。

2）从导条宽度变化情况可知，起动时间随导条宽度增加而变短，有利于样机起动。

3）从永磁体尺寸变化情况可知：

磁化方向长度Z对起动时间影响尤为明显，起动时间随Z减小而变短，有利于起动；只考虑牵人同步时间时，永磁体高度存在最优值，增大或减小它都会延迟牵入同步。

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高长福）1J1J1J1JbH万方数据SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用作者：

郭清风，杨贵杰，晏鹏飞，GUOQing-feng，YANGGui-jie，YANPeng-fei作者单位：

哈尔滨工业大学,电气工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001刊名：

电机与控制学报英文刊名：

ELECTRICMACHINESANDCONTROL年，卷（期）：

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