永磁同步电机无传感器控制及在线参数辨识

No. 4

Apr. 2021第4期

2021年4月组合机床与自动化加工技术

Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Techninue

文章编号

：1001 -2265

(2021

)04 -0105 -03 DOI

: 10.13462/j. cnki. mmtamt. 2021.04. 025

永磁同步电机无传感器控制及在线参数辨识

孔丽丽！

，易春求2

，刘文通2

(1.

中国计量大学机电系，杭州310018

；2.

奥的斯机电电梯有限公司开发部，杭州310019

)

摘要

：针对传统永磁同步电机闭环控制系统存在体积大、

成本高、

可靠性低等缺点，提出了一种无转

速传感器的闭环控制系统和电机参数在线辨识方法。

在建立永磁同步电机两相静止坐标系模型的

基础上,

设计滑膜电流观测器估算电机的位置和角速度;考虑到电机运行过程中内部环境变化会导

致电机参数变化，又设计了一种基于遗传算法的电机参数在线辨识。仿真结果表明：该组合系统能

快速、准确地预估出电机的位置角度和转速,并对电机的定子电阻和电感有较高的辨识精度。能够

满足永磁同步电机无传感器控制的需求。

关键词

:永磁同步电机;无传感器控制；滑膜电流观测器；在线参数辨识

中图分类号

:TH16

；TG65 文献标识码

:A

Sensorlest Control and on-line Parameter Identincation of PMSM

KONG Li-lP ,

YI Chun-qiu

2,

LIU Wen-tong

2

(1. School oS Electromechanical Engineering, China JiLang University , Hangzhou 310018 , China

；2. OTIS

Electric Co. Ltd. R&D Department,

Hangzhou 310019,

China)

AbstracC:

In view of tte disadvantages of traditional PMSM closed-loop contoi system,

such as large vol­

ume ,high cost and low reliability, a sensorless closed-loop contoi system and on-line identification mett-

od are proposed. Based on tie two-phase static coordinate system model of PMSM,

a sliding mode current

observer is designed to estimate tiie position and angular velocity of PMSM. Considering tiiat tiie change of

inte+nalenvionmentwillead to thechangeofmoto+pa+amete+sin thep+ocesofmoto+ope+ation,

an on­

lineidentification ofmoto+paamete+sbased on geneticalgo+ithm isdesigned.Thesimulation +esultsshow

thatthesystem can quickly and accu ately p+edicttheposition angleand speed ofthemoto+,

and hashigh

identification accu+acy fo+thestato++esistanceand inductanceofthemoto+.Itcan meettheneedsofsen-

so+lescontolofPMSM.

Key wordt:

pe+manentmagnetsynch+onousmoto+；

senso+lescontol；

sliding modecu entobse+ve+；

on-

linepa+amete+sidentification

0

引言

永磁同步电机(

PMSM)被广泛应用在机床、新能

源汽车、工程机械、家用电器等领域。它具有结构简

单、质量轻、体积小、效率高、调速范围宽等优点。在传

统的

PMSM调速系统中，为实现闭环控制，必须使用光

电编码器、磁编码器等传感器测量电机转子的位置和

转速。这样，不仅会增加系统的体积和生产成本，而且

会增加系统故障率，降低系统的抗干扰能力。因此，采

用无传感器的电机控制系统将是未来发展趋势⑴。

另一方面,随着对

PMSM控制系统精度和稳定性

要求的提高，控制系统中电机的参数必须足够准确。

因此，实时地获取精确的电机参数对控制系统稳定性

非常重要。理想情况下电机自身参数是常数。然而随

着电机运行，内部环境变化如温升磁饱和等因素影响, PMSM的定子电感、定子电阻、磁链等参数都会发生变

化,系统必须具有实时在线修正电机参数的功能。

对无传感器的

PMSM控制系统而言，准确估计电

机转子的位置和速度是控制系统实现的首要任务。目

前，广泛研究和应用的方法主要有:电压电流检测法、

观测器法、卡尔曼滤波、模型参考自适应法、旋转/脉振

高频注入法、神经网络、模糊控制

［

2'i0］)这些方法的实

现，都离不开电机模型，离不开准确的电机参数。在线

参数辨识并不是孤立于

PMSM无传感器控制系统存在

的,而是相关联的。在线参数辨识常用的方法有:卡尔

曼滤波法、最小二乘法、遗传算法［

ii］。遗传算法能对

定子电阻、永磁体磁链以及电感进行辨识，具有收敛速

度快、鲁棒性好的优点。本文采用滑膜电流观测器估

算电机转子的位置角度和角速度。采用遗传算法对电

机参数进行在线修正辨识，将得出的定子电阻Es、电

收稿日期：

2020-04-29;修回日期：

2020-06-01

作者简介:孔丽丽

(1984-),女

，山东滕州人，中国计量大学讲师

，硕士

，研究方向为机电控制技术

，(E-maii)25673967@qq. om

)-106 -组合机床与自动化加工技术第4期

感4

送滑膜电流观测器，估计电机转子的位置和

转速。在MATLAB/Simulink 对永磁同步电机无传

感器控制系统 研究。将滑膜观测器和遗传

同时引入到PMSM控制系统中， 方 统一

的电机模型 ， 计、收敛

点，

避免了繁琐的不同坐标系下的电机建模。

1

永磁同步电机的数学模型

为 化建模过程，在建永磁同步电机的数学

型时作如 设

[

12]：①

不考虑电机定、转子的铁芯

饱和效应;②

忽略电机的涡流和 损耗;③

永 料

的电 为0,永体内部的 气 相

同;④

电机 运行时，三相 的电流 为标准的

正 。

PMSM数学模型包括三相坐标系两相

静止坐标系和两相同步旋转坐标系下三种数学

型。不同的坐标系下，PMSM的数学模型也不同。

PMSM 两相静止坐标系下电压方程：

+

4 冷+

e

%

b (

1)

.>

3 = +

4 詁

+ e

式中，>

%、>

3为 子％

轴、3

轴电压；“

、“

为定子％

轴、3

轴电流、4

为 子电感；E

为定子电阻；e

。、％

为

子％

轴、3

轴反电动势。

由PMSM的运 理 ，反电动势与磁链、转子

关，反电动势方程为：

{

e =

- 0'sin" (

2)

"仔=

2'

cos/

式中，2

为转子永磁体磁链；'

为转子角速度；"

为转

子位置。

对式(1) 到电流的方程：

rd“ Es. 1 / 、

IT = 一厂

6万(>%

-e)

B

4 4 (

3)

d“

Rs.丄

1 / 、

ll?= 一万“ +三(>

3 -e)

2

滑膜电流观测器设计

滑模控制是一结构控制策略， 控制的

于控制的不连 ， 控制系统结构随

时 化的开关特性

。因此，滑膜控制非常适

用于

PMSM电机运 子参数会不断变化的控制系统。

且滑动 不受系统外界干扰的影响，因此，使用滑模

控制的系统 的 。滑膜电流观测器的设

计 为:①

由PMSM 相静止坐标系模型，设计一个

滑膜电流观测器;②

由滑膜电流观测器模型 电流

观测值;③

电流观测值和电流 作差， 电流

误差的 方程;④

由误差方程 反电动势观测值，

依据反电动势观测 以 转子位置"

；⑤

对位

置"进行微

以 '

)

首先，设计滑膜函数为：

s(0 =" - " (

4) 其中，"=

[“

,“

]

T，是电流观测值，"=

[“

，“

]

T，为电

流 。选滑膜面为：S(0

) =" - " =

0

据％@

两相静止坐标系数学模型式(3 )，构建含

有电流估计值的滑膜电流观测器模型：

d

"

3 R.

t 1

不=一〒“

+三(>

3

其中，

2 =

Kan(“ -“

)

2 =

Kan( “ — “

)

1 0 >

0

函数

sgn 取值:

sgn = {

0 0=

0

-

1 0 <

0(6

)

(7

)

K

为滑膜观测器增益。

对比式(3)和式(5 "，这两个公式应该是等效的。

以：

{e

% =

Ksgn( “一“

) (

8)

3 =

Ksgn( “ - “

)

对2

、2

，求 反电动势的观测值[

、

[

) 反电动势的观测值[

、[

代 式(2) 转子

位置的观测 ：

" = -

arctan / (9)

*

3

对式(9)微分之后得出转子角速度的观测值：

'=

d" (10)

综合上述， PMSM转子的位置 和

的估计值"

和'

。滑膜电流观测器控制结 图如

图1所示。

图1滑膜电流观测器原理图

3

遗传算法在线参数辨识

传 计算机辅助基础上不断迭代来完成

的。PMSM的数学模型属于连续系统模型。因此，必

PMSM的数学模型式(3)转 计算机可以处理

的形式，即对上述电机数学模型 散化处理。设

采样周期为Y

离散序号为#

(” =0

,1,2……)。在采

样 Y

足够小的 ，可以用 代替微分的方

上述模型离散化。

数学 型式( 3) 的基 上 样 T 的

散化处理。结果为：

{

“

(#

) =

K1“(#

- 1) -

K[e

(#

) - >

%(#

)] (11

)

=

K1“

(#

-1

) - D

2

[e”(#

) - >

3(#

)]

式，

K1 = 4 +

TRs