下载文档原格式
基于一种新的滑模磁链观测器的研究发布时间：2022-12-25T09:10:29.972Z 来源：《中国电业与能源》2022年16期作者：刘宁[导读]刘宁皖赣铁路安徽有限责任公司，安徽合肥，230000摘要：转子磁链观测器的准确性直接影响异步电机矢量控制传动系统的性能。
针对传统二阶开环转子磁链观测器（电压模型和电流模型）在不同转速段对电机参数敏感且无法闭环调整的缺点，论文研究了一种新的四阶闭环滑模磁链观测器，通过反馈定子电流的观测误差实现转子磁链幅值和角度的闭环估计，从而减小了观测器对电机参数的敏感性。
为了消除滑模控制中的颤抖问题，引入了一种新的函数代替传统的符号函数。
通过理论分析和仿真，验证了观测器在定子电阻和转子电阻变化时比传统观测器具有更好的观测性能。
关键词：感应电机磁链观测器滑模电机参数矢量控制 1 引言在工业传动领域中，笼型异步电机以其经济、耐用、可靠的等优点占据着重要地位。
由于三相异步电动机内在的耦合效应，传统的标量控制响应缓慢且容易失稳[1-2]。
随着工业要求的不断提高，高性能、高精度传动系统的重要性不断增加。
矢量控制理论通过坐标变换，使异步电机获得了与直流电机相近的性能特性，大大提高了传动系统的动态和静态性能,而在转子磁场定向的控制系统中，转子磁链估计值的准确与否将会影响整个系统的性能。
在实际的工业应用中，在线估计法利用异步电机的数学模型，推导出基于电压、电流、转速等变量的转子磁链方程，通过在线采集电压、电流、转速等的实时数值，估算当前的转子磁链幅值和角度。
为了在全速段获得准确的观测值，可以使用闭环磁链观测器，主要有基于模糊控制的磁链观测器[3]、基于滑模变结构理论的磁链观测器[4]等。
本文提出了一种基于滑模理论的磁链观测器，通过定子电流构成磁链的闭环观测系统，对电机的主要变化参数（定子电阻及转子电阻）有良好的鲁棒性，较传统的电压模型和电流模型有更好的性能。
2 滑模磁链观测器2.1 电机模型4.结论针对传统转子磁链观测器对定转子电阻变化敏感的问题，研究了一种新的滑模转子磁链观测器，通过与传统观测模型（电压模型和电流模型）的对比，验证了这种四阶闭环观测器在电机定转子变化时的良好性能。
基于二阶滑模与定子电阻自适应的转子磁链观测器及其无速度传感器应用黄进;赵力航;刘赫【摘要】针对感应电机高性能矢量控制需求,设计一种基于Super-Twisting二阶滑模理论的转子磁链观测器,并提出以其观测结果作为参考模型的无速度传感器控制方案.该观测器属于非线性滑模观测器,充分利用了辅助滑模面,因而对电机转子电阻变化以及外部扰动具有良好的鲁棒性,且反应速度优于传统电压型转子磁链观测器.而Super-Twisting理论无法处理的定子侧参数变化与扰动问题,则由并行定子电阻辨识机构进行修正.实验证明,转子磁链观测结果的相位和幅值较为准确.整套控制方案的有效性也经由仿真和实验得到验证.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2013(028)011【总页数】8页(P54-61)【关键词】感应电机;模型参考自适应;无传感器控制;二阶滑模;Super-Twisting 【作者】黄进;赵力航;刘赫【作者单位】浙江大学电气工程学院杭州 310027;浙江大学电气工程学院杭州310027;浙江大学电气工程学院杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TM3511 引言自20 世纪70 年代发展至今，三相异步电机矢量控制技术已趋成熟，能够满足大部分工业需求。
而精确的转子磁场定向和准确的转速观测，是保证矢量控制效果的两个最重要的因素。
为了能通过电机外部量“观测”电机内部的磁通，大部分控制方案采用的是基于数学模型的间接磁场定向矢量控制。
该方法的控制性能受数学模型准确性和电机参数稳定性的影响，其中定子电阻与转子时间常数影响最大。
另一方面，转速是非常重要的反馈量。
传统的机械式速度传感器会带来额外的成本和安装维护方面的问题，因此无速度传感器技术一直是电机控制领域的重要研究方向。
转子磁链和转速的观测可以在只测得定子侧电信号的前提下实现[1]。
将定子电流、转子磁链作为状态变量写出异步电机数学模型，在此基础上即可构建转子磁链观测器，并实现转速辨识。
基于二阶滑模观测器的无刷直流电机转子位置估计史婷娜;马银银;王迎发;夏长亮【摘要】针对一阶滑模观测器(F-SMO)存在的抖振和相位延迟问题,提出了基于二阶滑模观测器(S-SMO)的线反电势(LBEMF)估计策略,将不连续控制作用在滑模变量的高阶微分上,采用超螺旋算法设计控制率,能较好地削弱抖振,得到连续光滑且无滞后的反电势估计值.针对相反电势法存在的相移问题,采用线反电势过零点直接作为换相点的换相策略.仿真和实验结果表明,所提策略能够准确估计无刷直流电机线反电势,获得准确的转子位置换相点,实现无刷直流电机的无位置传感器控制.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2014(047)008【总页数】6页(P697-702)【关键词】无刷直流电机;二阶滑模观测器;线反电势;换相策略【作者】史婷娜;马银银;王迎发;夏长亮【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TM383无刷直流电机由于具有效率高、输出转矩大、响应快、惯性低等诸多的优点，在航空、汽车和家庭应用等方面得到广泛应用[1-3]．传统无刷直流电机的闭环控制需要采用位置传感器来获得转子位置，但位置传感器的存在不仅导致系统成本的提高，而且还影响系统的可靠性和鲁棒性，因此无刷直流电机无位置传感器技术成为目前的一个重要研究方向．近年来，国内外文献介绍的无位置传感器检测方法主要包括相反电势法、磁链法、电感法、续流二极管法等．其中，相反电势法因其简单、实用等特点，成为目前研究的热点[4-6]．相反电势法通过检测无刷直流电机三相端电压，计算得到电机相反电动势过零点，再相移/6π 电角度得到无刷直流电机换相位置，其原理简单，实现方便，应用广泛．但在相移角计算过程中，通常依赖于电机速度，尤其是在调速过程中，相移角不准确易造成电机运行性能变差．如何避免相移角计算并直接获得换相点，成为一个新的研究思路．文献[7]提出了一种利用三次谐波检测转子位置的新方法，可检测速度更宽，不需要相移滤波，但在低速下三次谐波严重畸变，导致不能估算转子位置．文献[8]通过对电机模型分析，构造G函数直接确定无刷直流电机的换相点，扩展了无位置传感器控制调速范围，但系统的计算量增大．基于滑模观测器的反电势估计策略能准确估算出反电势信号．然而由于其控制作用的不连续性所引起的抖振现象，会导致被控系统出现危险的高频振荡．文献[9]将sigmoid函数代替开关函数，在一定程度上削弱了抖振，但也不可避免地降低了响应速度，使系统的鲁棒性变差．而低通滤波器的使用会导致相位滞后，难以精确补偿．文献[10]设计了反电势观测器，省去了低通滤波器和相位补偿环节，但估算的反电势存在抖振和噪声，影响准确性．二阶滑模是解决抖振问题和相位延迟的一种有效的方法，在此方法中，不连续控制并不作用在滑模变量的一阶微分上，而是作用在其高阶微分上，这样不仅保留了一阶滑模控制的所有优点，还可以削弱抖振和相位滞后现象[11-15]．因此本文采用二阶滑模观测器估算电机线反电动势．本文先采用超螺旋算法设计控制率，再设计二阶滑模微分估计器对电流微分进行估计．此二阶滑模观测器能较好地削弱抖振、得到连续光滑且无滞后的线反电势估计值，提高了无刷直流电机无位置传感器控制的换相精度．通过分析线反电动势过零点与换相时刻的对应关系，提出了采用线反电势过零点直接作为换相点的换相策略，根据虚拟霍耳信号建立无刷直流电机换相逻辑，避免了传统相反电势存在的相移角计算问题．无刷直流电机三相绕组电压、电流方程表示[16]为式中：ua0、ub0、uc0分别为三相定子绕组电压；un为电机中性点电压；ia、ib、ic分别为定子相电流；ea、eb、ec为定子相反电势；R和 Ls分别为定子相电阻和等效电感．由于无刷直流电机中性点电压难以直接检测，将式(1)和式(2)简化为 2个并联的线性无关的一阶电流模型，整理成线电压的状态空间形式为式中：和 ebc为绕组线反电势，eab=ea-，uab和ubc为绕组线电压同时，线反电势之间存在关系由式(3)可知，直接计算能够得到线反电势，但开环计算方式及计算中的电流微分项会导致计算过程中存在一定误差，而采用闭环形式的观测器则可进一步提高线反电势估计精度．根据式(3)，构建无刷直流电机的二阶滑模观测器式中：Z为二阶滑模观测器控制量，将式(6)与式(3)相减，得到无刷直流电机的状态误差方程为式中当滑模面存在且在有限时间内收敛时，即可得下面对无刷直流电机的二阶滑模观测器进行分析．2.1 滑模面选择将无刷直流电机线电流差作为误差标准，其表示为选择二阶滑模观测器的滑模面为式中σ为无刷直流电机线电流误差构成的滑模面，增加常数 c可以任意地加快收敛速率．根据滑模控制的设计要求，控制必须能保证滑模变量1σ和2σ收敛到零点．令有合理地选择常数c可使误差在有限时间内趋于0．滑模变量的微分表示为式中：其中A1、A2、A3、A4、A5是由电机参数确定的常数．2.2 控制率设计本文采用超螺旋算法作为二阶滑模观测器中的控制率．超螺旋算法是指在 -σ σ˙平面内，状态轨迹在有限时间内围绕原点螺旋式地收敛到原点．该算法不需要滑模变量的一阶导数和符号信息，离散项出现在控制量的一阶微分上，滑模变量的相关度为 1，能够有效地削弱抖振现象．采用超螺旋算法的二阶滑模观测器控制率为控制率中的参数V1和V2按照约束规则选取，约束规则为式中为正常数，满足条件当控制率参数满足以上条件时，超螺旋算法可保证滑模变量在有限时间 tf内收敛到滑模面，即时，保证存在．当滑模变量达到收敛状态时，可准确估算出线反电势信号，估计值为根据式(5)，可得线反电势eca的估计值为了便于编程应用，考虑式(11)的 Euler离散化形式，得到式中：，τ 为采样时间； 0,1,2j= ．2.3 二阶滑模微分估计器式(9)需要对电流误差e(t)求取微分信号，但实际中微分器通常采用一阶差分信号，容易引入噪声干扰．因此，本文采用二阶滑模算法构成微分估计器，估计电流误差微分信号．设定微分估计器输入为电流误差信号 e(t)，电流误差信号微分量为滑模量及其微分量为采用超螺旋算法建立电流误差信号微分估计器式(16)收敛的充分条件为在超螺旋算法控制率作用下，微分估计器经过有限时间后达到收敛，存在因此，二阶滑模微分器能够较好地得到无刷直流电机线电流误差微分信号．根据以上分析，设计的无刷直流电机二阶滑模线反电势观测器结构如图1所示．无刷直流电机的换相需要确定 6个离散的位置信号，在位置传感器控制中通常由霍耳信号提供6个换相点．而霍耳信号对应的换相点滞后相应相反电势过零点30°电角度，因此相反电势法存在相移角计算问题，造成计算复杂．本文从线反电势的角度出发，分析霍耳信号与线反电势之间的关系．图 2所示为线反电势过零点与实际霍耳换相信号示意．由图2中可以看出，线反电势过零点直接与霍耳信号的换相点对应．若线反电势为正时表示为 1，为负时表示为 0，可得 eab、ebc、eca分别对应H2、H3和(“”表示信号取反)，用虚拟霍耳信号和表示．建立霍耳信号换相逻辑表，如表1所示．4.1 仿真结果及分析利用 Matlab/Simulink建立一阶和二阶滑模观测器仿真模型，电机参数如表2所示．电机运行在n=2,000,r/min、TL=0.2,N·m条件下，采用一阶滑模观测器对无刷直流电机线反电势估计，反电势估计结果如图3所示．图3中，实线和虚线分别代表实际线反电势和估算线反电势．一阶滑模观测器由于低通滤波器的使用，反电势估计值存在相位延迟，该延迟会加大电机换相误差，降低电机运行性能．图4为无刷直流电机分别运行在n=200,r/min、n=1,000,r/min、n=2,000,r/min，TL=0.2,N·m条件下，采用二阶滑模观测器得到的线反电势估计值．实线和虚线分别代表实际线反电势和估算线反电势．由图 4中可以看出，二阶滑模观测器在高、中、低速范围内均能较好地跟踪实际线反电势，能得到连续光滑且无滞后的线反电势估计值，实现无刷直流电机正确换相．图 5为无刷直流电机在 n=1,000,r/min、TL= 0.2,N·m、电阻Ra增大20%的条件下，线反电势实际值和估计值的仿真结果．由图5中可以看出，电阻Ra增大20%时，二阶滑模观测器仍能较好地估计出线反电势，表明二阶滑模观测器对电机参数的扰动具有较好的抑制能力．图 6为TL=0.2,N·m条件下，电机从 n= 200,r/min变速运行到n=2,000,r/min 时，线反电势估计值和功率管换相信号．图 6(a)表明在变速条件下，二阶滑模观测器仍能准确估算出线反电势，表明二阶滑模观测器具有较好的鲁棒性．图 6(b)中，PT1为根据实际霍耳信号得到的换相信号，为根据本文分析的虚拟霍耳信号得到的换相信号，通过两者对比可以看出，根据线反电动势过零点得到的新的换相策略能准确确定换相位置，实现无刷直流电机无位置传感器控制．4.2 实验结果及分析为了进一步验证策略的有效性，以TI公司DSP芯片 TMS320F28335为核心控制器建立无刷直流电机实验系统．为了得到较好的实验效果，电压、电流检测均采用霍耳电压、电流传感器，同时设计了 4阶巴特沃斯低通滤波器滤除数据采集中的干扰信号．图7为n=800,r/min时线电压和换相信号的实验结果．由图 7中可以看出，换相信号和估计值基本重合，因此基于二阶滑模观测器的线反电势换相策略能够准确地换相，较好地实现无刷直流电机无位置传感器控制．图 8为线反电势实际值和通过二阶滑模观测器估计得到的线反电势估计值．可以看出，二阶滑模观测器能够较好地估计出无刷直流电机线反电势，且抖振较小，不存在相位滞后．(1) 二阶滑模观测器不仅保留了一阶滑模观测器的所有优点，且能够较好地削弱抖振，得到连续光滑且无滞后的线反电势估计值．(2) 通过分析无刷直流电机线反电动势与换相时刻的对应关系，得出线反电动势过零时刻即为换相时刻的结论，建立了虚拟霍耳信号换相逻辑．(3) 仿真与实验表明，本文策略能够准确估计出无刷直流电机线反电势，获得准确的转子位置换相点，实现了无刷直流电机无位置传感器控制的准确换相，提高了换相精度．【相关文献】［1］张志刚，王毅，黄守道，等. 无刷双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用[J]. 电气传动，2005，35(4)：61-64.Zhang Zhigang，Wang Yi，Huang Shoudao，et al. The application study for brushless doubly-fed machine in the variable speed constant frequency generation system[J]. Electric Drive，2005，35(4)：61-64(in Chinese).［2］ Shi Tingna，Guo Yuntao，Song Peng，et al. A new approach of minimizing commutation torque ripple for brushless DC motor based on DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(10)：3483-3490.［3］ Chen Yie-Tone，Chiu Chun-Lung，Tang Zong-Hong，et al. Optimizing efficiency driver comprising phaselocked loop for the single-phase brushless DC fan motor[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2012，48(5)：1937-1942.［4］ Shao Jianwen. An improved microcontroller-based sensorless brushless DC motor drive for automotive applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(5)：1216-1221.［5］ Imoru O，Tsado J. Modelling of an electronically commutated(brushless DC)motor drives with back-emf sensing[C] //16,th IEEE Mediterranean ElectrotechnicalConference(MELECON). Yasmine Hammamet，Tunisia，2012：828-831.［6］ Damodharan P，Vasudevan K. Sensorless brushless DC motor drive based on thezero-crossing detection of back electromotive force (EMF) from the line voltage difference[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2010，25(3)：661-668.［7］韦鲲，任军军，张仲超. 三次谐波检测无刷直流电机转子位置的研究[J]. 中国电机工程学报，2004，24(5)：163-167.Wei Kun，Ren Junjun，Zhang Zhongchao. Research on the scheme of sensing rotor position of BLDCM based on the third harmonic component[J]. Proceedings of the CSEE，2004，24(5)：163-167(in Chinese).［8］ Kim Tae-Hyung，Ehsani M. Sensorless control of the BLDC motors from near-zeroto high speeds[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(6)：1635-1645.［9］ Kim Hongryel，Son Jubum，Lee Jangmyung. A highspeed sliding-mode observerfor the sensorless speed control of a PMSM[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(9)：4069-4077.［10］ Qiao Zhaowei，Wang Yindong，Shi Tingna，et al. New sliding-mode observer for position sensorless control of permanent-magnet synchronous motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(2)：710-719.［11］ Damiano A，Gatto G L，Marongiu I，et al. Secondorder sliding-mode control of DC drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51(2)：364-373.［12］孙宜标，杨雪，夏加宽. 基于二阶滑模的永磁直线同步电机鲁棒速度控制[J]. 电工技术学报，2007，22(10)：35-41.Shun Yibiao，Yang Xue，Xia Jiakuan. Robust speed control of permanent-magnet linear synchronous motor based on the second order sliding mode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22(10)：35-41(in Chinese).［13］凌睿，柴毅. 永磁直线同步电机多变量二阶滑模控制[J]. 中国电机工程学报，2009，29(36)：60-66.Ling Rui，Chai Yi. Multi-variable second order sliding mode control for PMLSM[J]. Proceedings of the CSEE，2009，29(36)：60-66(in Chinese).［14］ Beltran B，Ahmed-Ali T. Second-order sliding mode control of a doubly fed induction generator driven wind turbine[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2012，27(2)：261-269.［15］ Evangelista C，Puleston P，Valenciaga F，et al. Lyapunovdesigned super-twisting sliding mode control for wind energy conversion optimization[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(2)：538-545.［16］王迎发．无刷直流电机换相转矩波动抑抑制与无位置传感器控制研究[D]. 天津：天津大学电气与自动化工程学院，2011．Wang Yingfa. Research on Commutation Torque Ripple Reduction and Sensorless Control of Brushless DC Motor[D]. Tianjin：School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University(in Chinese)．。
基于二阶滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制张晓光;孙力;陈小龙;安群涛【摘要】A kind of second-order sliding mode observer 1s proposed to estimate the rotor position and speed of PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor),which combines the linear sliding mode with the hybrid non-singular terminal sliding mode to avoid the phase lag caused by the low-pass filter in conventional sliding mode observer and to improve the precision of rotor position and speed estimation.The sliding mode control law is designed to restrain the inherent chattering and to guarantee the stability of observer.The tracking algorithm with phase-lock function is employed to demodulate rotor position and speed from the observed back electromotive force.Simulative and experimental results demonstrate the validity of the proposed observer.%为了准确估计永磁同步电机的转子位置与速度,提出一种二阶滑模观测器.该观测器在传统线性滑模面基础上引入了混合非奇异终端滑模面,避免了常规滑模观测器由于低通滤波所产生的相位滞后问题,同时可以提高转子位置与速度的估算精度.为了保证观测器的稳定并抑制滑模固有的抖振现象,设计了滑模控制律.最后,采用具有锁相功能的转子位置与速度跟踪算法从观测的反电动势中解调出转子位置和速度信息.仿真和实验证明了所提观测器的正确性.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2013(033)008【总页数】6页(P36-41)【关键词】二阶滑模观测器;滑模控制;锁相环;永磁同步电机;控制【作者】张晓光;孙力;陈小龙;安群涛【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TM3410 引言永磁同步电机PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）的转子位置与速度是进行矢量解耦控制的必要条件，通常采用位置传感器进行检测，其中光电编码器、磁编码器以及旋转变压器等最常见。
![基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/917cc032b9f3f90f77c61b66.png)
专利名称：基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法专利类型：发明专利
发明人：樊英,张丽,夏子朋,顾玲玲
申请号：CN201410116544.4
申请日：20140423
公开号：CN103872951A
公开日：
20140618
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于滑模磁链观测器的永磁同步电机转矩控制方法，通过3/2坐标变换模块、滑模磁链观测器、电磁转矩计算模块、转速PI调节器、转矩PI调节器、磁链自适应模块、预期电压计算模块、SVPWM模块和逆变器对永磁同步电机进行直接转矩控制。
采用滑模磁链观测器模块估算定子磁链的大小和相位以及转子速度，给定转矩经磁链自适应模块得到定子磁链的给定值，定子磁链大小和相位估计值、定子磁链给定值以及转矩PI调节器的输出量经预期电压计算，得到两相静止坐标系上的两相交流电压参考值，再经SVPWM变换，得到开关信号以驱动电压源逆变器，实现对永磁同步电机的直接转矩控制。
申请人：东南大学
地址：211189 江苏省南京市江宁区东南大学路2号
国籍：CN
代理机构：南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：杨晓玲
更多信息请下载全文后查看。
乡驱动控制rie and c ontrl--飆蒔电力□2021年第49卷第1期基于PMSM的二阶滑模无位置传感器控制蔡军，李鹏泽，黄袁园(重庆邮电大学自动化学院，重庆400065)摘要:根据Super-twisting算法设计了二阶STASMO无位置传感器控制方案，该方案不仅充分地抑制了抖振现象，而且取消了低通滤波器的使用。
当电机运行时，定子电阻会随着温度的升高而变化，研究了旋转坐标系下的定子电阻观测器方案来实时观测定子电阻，避免了定子电阻变化对电机位置或速度估计精度的影响。
仿真分析表明该方案对电机位置或速度有较高的估计精度。
关键词:永磁同步电机;超螺旋算法滑模观测器;无位置传感器控制;定子电阻观测器中图分类号：TM351,TM464文献标志码:A文章编号:1004-7018(2021)01-0032-05PMSM Based Second-Order Sliding Mode Position Sensorless ControlCAI Jun,LI Peng-ze,HUANG Yuan-yuan(College of Automation,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing400065,China) Abstract:The designs a second-order STASMO position sensorless control scheme based on the Super-twisting algorithm,which not only sufficiently suppresses chattering,but also eliminates the use of low-pass filters.When the motor is running,the stator resistance will change as the temperature rises.The proposes a stator resistance observer scheme in the rotating coordinate system to observe the stator resistance in real time,the influence of the change of the stator resistance on the accuracy of the position or speed estimation of the motor is avoided.The simulation analysis of the scheme proposed,it is proved that the scheme proposed has higher estimation accuracy for the motor position or speed.Key words:permanent magnet synchronous motor(PMSM),super-twisting algorithm based sliding-mode observer ( STASMO),position sensorless control,stator resistance observer羅M ■•咖轉中PMSMEI |盒班擲朮归鋼迪巒噩理軽铝0引言永磁同步电机（以下简称PMSM）因为具有功率密度高、转动惯量小和动态性能好等优势而被广泛应用于众多传动系统中。
基于二阶滑模观测器的感应电机转子磁链观测徐静;杨淑英;郭磊磊;张兴【摘要】实现矢量控制的基础是准确获得转速和转子磁链信息,本文提出了一种基于二阶滑模观测器的转子磁链观测方法.将构造的滑模观测器作为模型参考自适应系统(MRAS)的参考模型,将磁链的电流模型改造为该中间变量的可调模型,且其可调量为转速变量,进而构造出MRAS,实现对转速的观测.在此基础上,完成转子磁链的计算,并得到转子磁链角度,实现基于直接磁场定向的感应电机矢量控制.中间量的构造有效避免了传统MRAS中的纯积分问题,便于算法的实施;二阶滑模观测器有效地削弱了一阶滑模观测器存在的抖振扰动,并且参数具有较强的鲁棒性.仿真结果表明该转子磁链观测器具有较高的观测精度,且对外部扰动和转子电阻变化具有较强的鲁棒性,提高了系统的动稳态性能.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2016(035)012【总页数】6页(P32-37)【关键词】感应电机;二阶滑模;MRAS;磁链观测;无传感器控制【作者】徐静;杨淑英;郭磊磊;张兴【作者单位】合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TM343感应电机的低成本和免维护等特点使其在工业生产中得到了广泛应用[1]。
矢量控制技术的发展，使其调速性能得到了显著改善。
转速及矢量定向是直接影响调速性能的两个重要因素[2]。
转速信息虽然可通过机械速度传感器获得，但会增加控制系统的成本和机械安装的复杂性，降低系统的可靠性[3]。
而无速度传感器技术可有效避免上述弊端，因此其成为近年来国内外学者研究的热点。
转子磁链信息可以通过直接测量获得，但直接测量法较难在实际系统中实现[4]，因此常采用间接观测的方法来获取转子磁链[5]。
即根据电机的数学模型构造出观测器实现对转子磁链的观测。
目前，常见的观测方案有：扩展的卡尔曼滤波器(EKF)[6]、全阶状态观测器[7]、模型参考自适应系统(MRAS)[8]以及滑模观测器[9，10]等。
基于扩展的卡尔曼滤波器(EKF)法可以在较宽的转速范围内稳定工作，但计算量较大，且易受噪声的影响；全阶状态观测器对参数具有较强的依赖性，且反馈增益矩阵的设计较复杂；MRAS 的算法原理较简单，但对参数变化较为敏感；而滑模观测器算法因实现简单，具有较强的抗干扰能力以及鲁棒性，而备受国内外学者的关注。
然而基于一阶滑模理论设计的观测器受困于抖振等问题[9，10]，限制了其应用，而采用高阶滑模观测器[4]不仅可以有效地削弱抖振而且具有较强的参数鲁棒性。
当前，为了提高感应电机的控制性能，有学者将滑模理论与MRAS理论相结合，应用于电机的状态观测。
文献[11]基于传统的电压、电流模型构造出模型参考自适应系统，采用滑模变结构代替传统的PI控制器，估计出电机转速，提高转速观测精度及系统的抗干扰能力。
文献[12]基于滑模理论分别在旋转坐标系下和静止坐标系下设计了两个滑模面，并据此构造了MRAS结构，实现了对转子磁链和转速的同时辨识。
为克服一阶滑模结构的抖振问题，文献[13]基于Super-Twisting二阶滑模理论构造了滑模观测器，并设计了MRAS转速观测器。
但文献[13]中，因含有纯积分环节，需要采用低通滤波器对幅值和相位加以补偿。
本文提出了一种基于二阶滑模观测器的MRAS型转速和磁链观测器。
该方案是通过Super-Twisting二阶滑模观测器对所构造的中间变量进行观测，并将其观测结果直接作为参考模型，设计了一种MRAS结构来辨识转速。
将获得的中间变量和转速信息用于转子磁链的观测，进而得到转子磁链角度，用于感应电机的磁场定向。
所设计的观测器具有良好的动态性能和抗干扰能力。
转速和磁链的辨识精度较高，保证了磁场定向的准确性，提高了矢量控制的性能。
通过仿真实验验证了该方案的有效性以及良好的动稳态性能。
以定子电流和转子磁链作为状态变量，定子电压为输入量，则电机在两相静止坐标系下的数学模型可表示为[14]：式中β=Lm/(σLsLr)，η=1/Trk=1/(σLs)，k1=Lm/Trisα、isβ、ψrα、ψrβ以及usα、usβ分别为定子电流、转子磁链和定子电压；ωr 为转子电角速度；Rs、Rr分别为定子电阻、转子电阻；Ls、Lr、Lm分别表示定子电感、转子电感和定转子间的互感；σ为漏磁系数；Tr为转子时间常数；p为微分算子。
为应用Super-Twisting理论进行滑模观测器的设计，令z1=isα，z2=isβ，并定义中间变量为：将式(2)代入式(1)可得：则电流观测器可构造如下：式中，1和2分别为z1和z2主滑模面的观测值；3和4分别为z3和z4辅助滑模面的观测值；；λ1和λ2分别为z1和z2主滑模面增益;δ1和δ2分别为z3和z4辅助滑模面的增益；sat(ei)为饱和函数，其定义如下：式中，ε为边界层常数，为一合适的正数。
3.1 转速的估计滑模观测器观测得到的4不含转速变量，可将其作为MRAS的参考模型，可调模型可通过对式(1)中的电流模型进行构造。
具体设计如下：由于机械时间常数远大于电气时间常数[3]，因此在构造速度观测器时可忽略速度变量的微分，则中间变量z3、z4的导数可以表示如下：由式(1)中转子磁链方程可得：将式(8)代入式(7)中，可得：式(9)为所定义中间变量为状态量的可调模型，且ωr是待调节参数，则观测器方程如下：将式(9)减去式(10)得：式中其中，J为反对称矩阵。
根据Popov超稳定理论可知系统收敛的条件为：=因z3、z4的参考值已由滑模观测器式(4)和式(5)获得，即4。
通过选取比例积分型的自适应率，可以得到转速的表达式：式中，eω为误差信号，表达式为：3.2 转子磁链观测器的设计由中间变量的式(2)可以看出，转子磁链与中间变量和转速有关，在观测出中间变量和转速的基础上，可以得到转子磁链的观测值。
由式(2)可以推出转子磁链的观测值如下：式中， 4为由滑模观测器观测的量；转速的估计值r已由式(13)得到。
在得到转子磁链观测值的基础上，进而可求出感应电机转子磁链的相角估计值为：将此相角估计值用于坐标变换，即可实现基于直接转子磁场定向的感应电机矢量控制。
该转子磁链观测器结构如图1所示。
为验证该转子磁链幅值和角度观测方案的有效性，本文依据所构造的滑模观测器，设计了感应电机直接转子磁场定向矢量控制系统。
图2为感应电机基于二阶滑模的直接转子磁场定向矢量控制系统的结构框图。
其中开关打到1时代表的是系统工作在电流环模式。
当开关打到2时代表的是系统工作在转速闭环模式。
在Matlab/ Simulink 环境中建立系统仿真模型，对方案进行仿真验证。
所用电机参数为：电压380V，电流11.7A，功率5.5kW，极对数2，额定转速1460r/min，定子电阻1.022Ω，转子电阻1.334Ω，定子电感0.13341H，转子电感0.13341H，互感0.1284H。
当系统工作在电流环模式，即开关打到1时，系统的仿真结果如图3和图4所示。
图3为转速指令由500r/min阶跃变化到1000r/min的仿真结果。
其中图3(a)是转速响应波形，图3(b)和图3(c)分别是转子磁链以及观测误差波形，磁链角度如图3(d)所示。
从图3(a)可以看出，当转速给定值由500r/min阶跃变化到1000r/min时，估计转速能很快地跟踪给定转速的变化，转速的动态响应性能良好。
在转速突变过程中，转子磁链出现了瞬时波动，但很快收敛到实际值，稳态误差较小，磁链的观测精度较高，如图3(b)和图3(c)所示。
图3(d)表明估计角度能很好地跟踪实际角度，角度观测较准确，对转速的变化具有较好的鲁棒性。
为了进一步验证本文所提出的转子磁链观测器对转子电阻变化具有较好的鲁棒性，在电机运行5s时使转子电阻Rr增大一倍，其仿真结果如图4所示。
由图4的仿真结果可以看出，在转子电阻突变的瞬间，转速估计值有较小波动，但很快收敛到实际值，转子磁链观测值也很快收敛于实际值，动态响应较快，估计角度与实际角度一致，磁链幅值保持不变，磁场定向较准确。
由此可见本文设计的转子磁链观测器对转子电阻参数变化具有较强的鲁棒性，从而提高了感应电机矢量控制系统的性能。
电机在运行过程中，转矩经常会发生变化，为了验证所设计的磁链观测器对转矩变化具有较好的鲁棒性，令图2中的开关打到2模式，系统工作在转速闭环，给定转矩由0阶跃变化到3N·m，仿真结果如图5所示。
从图5(a)的仿真结果可以看出在转矩突变情况下，转速出现快速变化过程，即便在此过程中，转速估计值也能够很好地跟踪其实际值的变化，且能较快恢复到给定转速。
从图5(b)和图5(c)转子磁链以及磁链误差的仿真结果可以看出，在转矩突变瞬间，转子磁链观测值出现很小波动，但能快速恢复到实际值，且稳态误差很小且保持不变。
角度估计值与实际值相符，如图5(d)所示。
仿真结果表明所设计的观测器具有较强的抗负载扰动能力，转子磁链观测的准确度较高。
本文针对感应电机矢量控制系统，提出了一种基于二阶滑模的转子磁链观测方案。
通过将二阶滑模观测器与电流模型相结合构造出新的MRAS结构，并根据Popov 超稳定理论推导出转速自适应率，得到转速估计值。
通过滑模观测器得到的中间变量以及估计的转速值计算出转子磁链，进而得到磁链角度，应用于感应电机的磁场定向。
该方案采用二阶滑模观测器，并应用MRAS，转速的辨识结果较准确，转子磁链观测精度较高，对外部扰动和转子电阻的变化具有较强的鲁棒性。
将转子磁链角度用于感应电机的矢量控制系统中，系统能在较宽的转速范围内稳定工作，并且具有良好的动稳态性能。
仿真结果验证了该方案的有效性。
【相关文献】[1] 胡清, 王凯 (Hu Qing，Wang Kai). 一种感应电机磁链观测器的稳定性研究及改进(Stability improvements for closed-loop flux observer of induction machine)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2014，33 (12):15-19. [2] 陆文斌, 姚文熙, 吕征宇(Lu Wenbin,Yao Wenxi,Lv Zhengyu). 基于改进闭环磁链观测器的感应电机无速度矢量控制(Speed sensorless vector control with improved closed-loop fluxobserver for induction machines)[J]. 电工技术学报(Transaction of China Electrotechnical Society), 2013,28(3):148-153.[3] 许晓峰，许傲然(Xu Xiaofeng, Xu Aoran).异步电机无速度传感器矢量控制研究(Research on speed sensorless vector control of induction motors)[J].电力电子技术(Power Electronics), 2013,47(6):71-73.[4] 史宏宇, 冯勇(Shi Hongyu, Feng Yong). 感应电机高阶终端滑模磁链观测器的研究(High-order terminal sliding mode flux observer for induction motors)[J]. 自动化学报(Acta Automatic Sinica), 2012,38(2):288-294.[5] A B Proca, A Keyhani. Sliding-mode flux observer with online rotor parameter estimation for induction motors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007,54(2):716-723[6] F Alonge, F D’Ippolito, A Sferlazza. Sensorless control of induction-motor drive based on robust Kalman filter and adaptive speed estimation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(3):1444-1453.[7] B Chen, W Yao, F Chen, et al. Parameter sensitivity in sensorless induction motor drives with the adaptive full-order observer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015，62(7)：4307-4318.[8] 陈伟，瞿文龙，陆海峰(Chen Wei, Qu Wenlong, Lu Haifeng).一种基于 MRAS 的异步电机速度辨识方法(A speed identification method for induction motor based on MRAS)[J].电工电能新技术 (Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2006，25 (2):52-55．[9] G Tarchala. Influence of the sign function approximation form on performance of the sliding-mode speed observer for induction motor drive[A]. 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE) [C]. Gdansk, Poland，2011.1397-1402.[10] P T Doan, T L Bui, H K Kim, et al. Sliding-mode observer design for sensorless vector control of AC induction motor[A]. 2013 9th Asian Control Conference, ASCC 2013 [C]. Istanbul, Turkey, 2013.1-5.[11] W Lei, Y H Li, X Lei. Sliding mode variable-structure MRAS speed identification for induction motor direct torque control system[A]. 2009 Second ISECS International Colloquium on Computing, Communication, Control, and Management [C]. Sanya, China, 2009.59-62.[12] M Comanescu. An MRAS-type estimator for the speed, flux magnitude and rotor flux angle of the induction motor using sliding mode [A]. 2014 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion [C]. Ischia, Italy,2014.719-724.[13] 黄进,赵力航,李炳楠,等(Huang Jin, Zhao Lihang, Li Bingnan, et al.).异步电机转子磁链观测与转速辨识的方法(A method for induction motor rotor flux observation and rotational speed identification)[P].中国专利(Chinese Patent)： CN201210486855.0,2013-2-13. [14] L Zhao, J Huang, H Liu, et al. Second-order sliding-mode observer with onlineparameter identification for sensorless induction motor drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(10):5280-5289。
