大功率永磁低速同步電機的無傳感器控制

摘要：為了滿足大功率永磁同步電機(PMSM)在低速運轉時實現無傳感器控制的需要，研究了一種新型的滑模觀測器(SMO)方法。採用SMO對d，q坐標系下的感應電動勢進行估算，並結合鎖相環(PLL)原理得到轉子位置和速度，同時基於Lyapunov函數分析了SMO參數的收斂性，並對滑模增益的選擇進行了分析，該方法解決了傳統SMO算法在極低速下無法實現的問題。實驗結果表明，該方法能準確計算出電機的轉子位置和速度，使系統具有良好的穩態精度和動態性能。
關鍵詞：永磁同步電機；滑模觀測器；無傳感器控制

1 引言
由於傳統機械傳感器自身存在缺點及局限性，所以無傳感器技術已成為調速控制系統的重要研究方向之一。特別是在極低速或靜止運行情況下的無傳感器控制技術，仍是高性能電機控制的研究難點。SMO由於具有魯棒性強、動態響應快、設計簡單等優點，得到了廣泛應用。但傳統的SMO算法大都是應用於觀測靜止坐標系下的反電動勢，在低速運行過程中難以穩定運行。
在此直接使用d，q坐標系下的電壓／電流方程，用SMO來觀測電機的感應電動勢，同時結合PLL的優良特性；實時跟蹤、估算實際的轉子信息，即使電壓相角不平衡、諧波較大等條件下，也具有較好跟蹤性能。該方法不僅保留了傳統SMO算法的優點，同時也克服其缺點。該算法簡單、易於工程實現，實驗結果進一步證實了其可行性。

2 PMSM無傳感器控制
在對PMSM進行建模時，通常先假設：轉子永磁磁場在氣隙空間分布為正弦波，定子電樞繞組中的感應電動勢也為正弦波；忽略定子鐵心飽和，認為磁路為線性，電感參數不變；不計鐵心渦流與磁滯損耗；轉子上無阻尼繞組。基於以上假設，對凸極式PMSM建立d，q坐標系下的數學模型為：

式中：下標d，q分別表示d，q軸分量；ωe為轉子電角速度；R為定子電阻；Ed，Eq為d，q坐標系下的電動勢，Ed=0，Eq=ωeψf，ψf為永磁體磁鏈。
2．1 滑模觀測器設計
根據式(1)，構造SMO方程如下：

式中：k為正常數，決定了SMO的開關增益。
實際應用中可採用飽和函數sat()取代常規SMO中的符號函數sgn()，可有效防止控制器發生抖振，其表達式為：

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