基于新型自适应滑模观测器的PMSM无传感器控制

电气传动　２０１０年　第４０卷　第５期　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　２０１０　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．５　

基于准滑模观测器的ＰＭＳＭ　

无位置传感器控制　

杜栩扬，胡育文，鲁文其，黄文新，梁骄雁　

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京２１００１６）　

摘要：针对基于传统滑模观测器的无位置传感器控制抖振大、低速估算性能差等缺点，在分析永磁同步电　动机（ＰＭＳＭ）数学模型的基础上，引入了一种新型准滑模观测器进行转子位置估算。切换函数采用饱和函数　代替开关函数，通过选择合适的边界层厚度，有效削弱了抖振；并将估算反电势的反馈值引入到观测器模型，　通过选择合适的反馈系数，提高了转子位置估算的精度，并扩大了其低速下的适用范围。仿真和实验结果证　明了该方法的可行性和有效性。　关键词：滑模观测器；无位置传感器；永磁同步电动机　中图分类号：ＴＭ３４１　文献标识码：Ａ　

Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＰＭＳＭ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　Ｑｕａｓｉ—－ｓｌｉｄｉｎｇ　Ｍｏｄｅ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ　

ＤＵ　Ｘｕ—ｙａｎｇ，ＨＵ　Ｙｕ—ｗｅｎ，ＬＵ　Ｗｅｎ—ｑｉ，ＨＵＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｘｉｎ，ＬＩＡＮＧ　Ｊｉａｏ—ｙａｎ　

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ，Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｔ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｉｎ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｌｉｄｉｎｇ　

ｍｏｄｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＰＭＳＭ，ａ　ｎｏｖｅｌ　ｑｕａｓｉ—ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｆｏｒ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＰＭＳＭ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａ　ｖａｌｉｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ；ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｂａｃｋ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｏｖｅ　ｆｏｒｃｅ（ＥＭＦ）ｉｓ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ，ａ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ＥＭＦ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｌａｒｇｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ａｔ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　

ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＤＲＩＶＥ　２０１２　Ｖｏ１．４２　Ｎｏ．６　电气传动　２０１２年　第４２卷　第６期　

基于滑模观测器的无位置传感器　

ＰＭＳＭ控制研究　

王海涛，皮佑国　

（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州５１０６４１）　

摘要：在无位置传感器的永磁同步电机控制策略中，采用观测器通过电压和电流来观测转子位置而取代　位置传感器是一种有效的策略，但这种策略在零速及附近的低速范围内存在观测死区。提出一种将电机的它　控和自控方式相结合的控制策略，在零速及附近的低速范围内采用它控方式，电机按照压频比控制并在观测　器能够观测出转子位置后切换到自控方式而实现空间电压矢量控制。研究表明这种方式能够解决观测器方　式在零速及附近的低速范围内存在预测死区问题，适用于对低速控制性能要求不高的风机以及泵类等的永　磁同步电机控制。　关键词：永磁同步电机；滑模观测器；无位置传感器；切换；恒压频比　中围分类号：ＴＭ３０１　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＰＭＳＭ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｌｉｄｉｎｇ　Ｍｏｄｅ　Ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ＷＡＮＧ　Ｈａｌ—ｔａｏ，ＰＩ　Ｙｏｕ—ｇｕｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６４１，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ，　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｇ　ｔｏ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｄｅａｄ—ｚｏｎｅ　ａｔ　ｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｈａｔ　ｏｔｈｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｓｅｌｆ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ａｒｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｏｔｈｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｔ　ｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ。ｔｈｅ　ＰＭＳＭ　ｉｓ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｖｏｌｔｓ／ｈｅｒｔｚ（Ｖ／ｆ）　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｓｗｉｔｃｈｅｓ　ｏｖｅｒ　ｔｏ　ｓｅｌｆ－－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ（ＳＭＯ）ｃａｎ　ｏｂｓｅｒｖｅ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉ——　ｔｉｏｎ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅａｄ—ｚｏｎｅ　ａｔ　ｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｓｕｉｔｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＰＭＳＭ　ｏｆ　ｆａｎｓ　ａｎｄ　ｐｕｍｐｓ　ｔｈａｔ　ｈａｖｅ　ｌｏｗ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｔ　ｓｔａｎｄ—　ｓｔｉｌｌ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｒ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；　ｓｗｉｔｃｈ　ｏｖｅｒ；ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｖｏｌｔｓ／ｈｅｒｔｚ　

第５３卷２０２０年　第１期１月ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳＶｏｌ􀆰５３.Ｎｏ􀆰１Ｊａｎ􀆰２０２０

改进型自适应滑模观测器的ＰＭＳＭ无速度传感器

李佳伦１ꎬ２ꎬ宋桂英１ꎬ２ꎬ郭慧敏１ꎬ２

(１.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学电气工程学院)ꎬ天津３００１３２ꎻ２.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学电气工程学院)ꎬ天津３００１３２)

摘　要:为了实现永磁同步电机的无速度传感器控制ꎬ提出了一种改进型自适应滑模观测器算法ꎮ该自适应滑模观测器通过引入电角速度的参与得到了扩展反电动势的估计值ꎬ然后进一步得到转子磁链的估计值ꎬ最后通过基于锁相环结构得到转子位置和速度ꎮ与传统滑模观测器相比ꎬ改进型自适应滑模观测器算法提高了转速的估计精度和稳定性ꎬ同时减小了系统抖振ꎬ提高了系统鲁棒性ꎮ最后以ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５ＤＳＰ为核心芯片搭建了永磁同步电机硬件平台ꎬ仿真与实验结果验证了该方法的有效性和实用性ꎮ关键词:自适应滑模观测器ꎻ无速度传感器ꎻ磁链估计ꎻ永磁同步电机中图分类号:ＴＭ３５１ꎻＴＭ３４１ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００１￣６８４８(２０２０)０１￣００４７￣０７

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｅｎｓｏｒｌｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｏｆＰＭＳＭＢａｓｅｄｏｎａｎＩｍｐｒｏｖｅｄ

ＡｄａｐｔｉｖｅＳｌｉｄｉｎｇＭｏｄｅＯｂｓｅｒｖｅｒ

ＬＩＪｉａｌｕｎ１ꎬ２ꎬＳＯＮＧＧｕｉｙｉｎｇ１ꎬ２ꎬＧＵＯＨｕｉｍｉｎ１ꎬ２(１.ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ

ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)ꎬＴｉａｎｊｉｎ３００３１２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄａｎｄ

张鑫，等：改进的滑模观测器实现PMSM无传感器控制电气传动2021年第51卷第3期

Ldiαiα =iα[-Rsiα-ωe(Ld-Lq)iβ+Eα-ksign(iα)]

=ìíîïïiα[Eα -ωe(Ld-Lq)iβ-k]- Rsi2αiα>0

iα[Eα -ωe(Ld-Lq)iβ+k]- Rsi2αiα<0

（8）

同理，β轴也可得到类似表达式；且考虑到- Rsi2αβ<0，当下式成立时，滑模观测器是稳定的[11-13]：k >max[|Eα| +| ωe(Ld-Lq)iβ|,|Eβ|+| ωe(Ld-Lq)iα|]

（9）

式（9）可作为选取滑模增益的依据。

2.2SACCF及其参数选取

由式（2）可知，Eα超前Eβ90°，故本文采用正

序复数滤波器，其传递函数为

F(s)=ωcs-jωr+ωc（10）

式中：ωr，ωc分别为中心频率与截止频率。

图2所示为ωr分别为700r/min（ωr1）和2500r/min（ωr2）时，不同截止频率下，式（10）的Bode

图。由图2易知，复数滤波器在中心频率处，不存

在幅值衰减与相位延迟，特别适用于此处Eα，Eβ的提取。

图2不同截止频率下，SACCF的Bode图Fig.2TheBodediagramofSACCFwithdifferentωcvalues

根据图1与式（10）可得：

Eα+jEβ=ωcs-jωr+ωc(Zα+jZβ)（11）

考虑到Eα超前Eβ90°，式（11）可独立写为

ìíîïïsEα=ωc(Zα-Eα)-ωrEβsEβ=ωc(Zβ-Eβ)+ωrEα（12）

式中：Zα，Zβ为未经处理的Eα，Eβ直接估计值，含

有大量谐波。

电机运行中，反电动势的频率随着转速而变

化。为了准确地提取出反电动势，式（12）中的中心频率与截止频率应随着转速而自动调节。为

此，本文假设中心频率与截止频率与估计转速存

在如下线性关系：{ωr=ωeωc=ksaωe（13）

式中：ksa为自适应系数。

为探究ksa取值大小与CCF滤波效果的关系，