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一种基于新型控制器的PMSM矢量控制浦清云;黄守道【期刊名称】《微特电机》【年(卷),期】2011(039)003【摘要】In combination with the PMSM mathemtical model, a novel improved PR controller-based rotor flux oriented vector control strategy was introduced to overcome the defects in the traditional PR, after the characteristic analysis of the PR.Matlab/Simulink was used to simulate the above model.The proposed system has got good dynamic and static responses,verifying the correctress and feasibility of the proposed method.%在分析比例谐振(PR)控制器特性的基础上,针对PR控制器的不足,结合永磁同步电动机(PMSM)数学模型,提出一种基于新型改进PR控制器及转子磁链定向的矢量控制策略.最后运用Matlab/Simulink进行仿真,结果表明该控制策略具有良好的鲁棒性和动态性能,验证了该方法的正确性.【总页数】3页(P42-44)【作者】浦清云;黄守道【作者单位】湖南大学,湖南长沙,410082;湖南大学,湖南长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】TM341【相关文献】1.基于滑模控制器的PMSM的矢量控制系统研究 [J], 谢涛;高桂革;王杰2.基于改进二阶滑模控制器的六相PMSM矢量控制 [J], 刘超;曹兆锦;常俸瑞3.基于改进模糊PI控制器的PMSM矢量控制系统仿真 [J], 胡堂清;张旭秀4.基于滑模速度控制器的PMSM矢量控制系统 [J], 岳宝民; 姜春霞; 白阿伟; 李慧臣5.基于PI控制器的PMSM矢量控制 [J], 柳洋;周心睿;贾铭;周堂鑫;荣亮亮;何微波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
专利名称：一种基于新型滑模速度控制器MRAS的PMSM无位置传感器矢量控制方法
专利类型：发明专利
发明人：聂建华,周松,王正兵
申请号：CN202111269159.X
申请日：20211029
公开号：CN113972869A
公开日：
20220125
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新型滑模速度控制器MRAS的PMSM无位置传感器矢量控制方法，从属电机控制技术领域。
首先，建立永磁同步电机(PMSM)基于同步旋转坐标系下的电压数学模型，对电压状态方程重构为定子电流状态方程；其次，构造变换后的电流估计状态方程，进而可以得到电流误差状态方程，然后利用Popov积分不等式进行逆向求解，就可以得到自适应律，得到估计位置后反馈到新型滑模速度控制器和电流控制器然后再作用于可调模型，进而实现电机的无传感器控制。
本发明在高速阶段可以更为准确的估算出电机转子位置和速度信息，有效抑制了控制系统的抖振和超调现象，并使系统稳态和动态性能更加良好。
申请人：安徽工业大学
地址：243002 安徽省马鞍山市花山区湖东路59号
国籍：CN
代理机构：安徽知问律师事务所
代理人：平静
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基于MRAS的无直流母线电压传感器PMSM滑模控制常海赐;滕青芳;靳宇星【摘要】针对永磁同步电机直流母线电压传感器故障的问题，提出一种无直流母线电压传感器的永磁同步电机滑模控制策略。
设计了基于自适应技术的模型参考自适应观测器，以精确估计直流母线电压值，从而保证电机正常运行，利用滑模控制技术，设计了积分滑模面，以保证电机转速、直轴、交轴电流能够快速收敛到给定值。
同时采用连续幂次函数设计滑模控制律，消除了滑模抖振。
仿真结果表明，所设计的直流母线电压观测器能够精确观测直流母线电压值，当直流母线电压传感器故障时亦能够保证系统的正常运行，且滑模控制器能够使转速、电流更快的跟随给定值，使系统具有更强的鲁棒性。
%In view of the fault of DC bus voltage sensor of the permanent magnet synchronous mo-tor (PMSM),the sliding mode control strategy of PMSM for DC bus voltage sensor is proposed. A model reference adaptive observer is designed to exactly estimate DC bus voltage and to ensure the normal operation of the motor with adaptive techniques.By making use of the sliding mode control techniques,an integral sliding surface is designed to ensure that the motor speed,direct-axis and quadrature-axis current can quickly converge to the given value.At the same time,the control law is designed by using the continuous power function to eliminate the chattering of slid-ing mode.The simulation results show that the designed DC bus voltage observer can accurately observe DC bus voltage value to guarantee the normal operation of the system when DC bus volt-age sensor is fault.The sliding mode controllercan make the rotating speed and current follow the given value faster,and make the system more robust.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2016(035)006【总页数】7页(P76-82)【关键词】永磁同步电机;直流母线电压;模型参考自适应观测器;滑模控制【作者】常海赐;滕青芳;靳宇星【作者单位】兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）因其结构简单、高效率、高功率密度和形状、尺寸灵活多样等突出优点，在工业、交通、军事等领域被广泛的应用.对于一个典型的电压源逆变器驱动PMSM控制系统而言，需要一个直流母线电压传感器来传递直流母线信息.通过传感器检测直流母线电压信息，不仅增加了成本和体积，而且当直流母线电压传感器出现故障时控制系统无法精确获取直流母线电压值，进而损害系统的可控性［1－3］.针对上述问题，有两种容错方案，即硬件冗余法和解析冗余法［4－6］.硬件冗余即增加冗余传感器法，这样既增加生产成本，也使系统体积更加庞大，使系统结构复杂化.故硬件冗余法较少采用；解析冗余则基于系统数学模型，通过软件算法实现电机直流母线电压辨识，具有编程灵活、功能强大、易于实现和成本低廉等优点，因此是电机容错系统的首选容错方案［7－9］.PMSM直流母线电压的容错方案，国外学者研究较多.文献［10］采用直接替换法，当直流母线电压传感器出现故障时，直接采用额定直流母线电压值代替实际值，以保证系统的持续运行，该方法局限于直流母线电压恒定的系统，不能适用于母线电压随时间波动的系统，比如混合动力电动汽车；文献［11］采用自适应磁链观测法，提出了一种在线直流母线电压观测器，但因设计复杂而难于实现，且该方法只能针对感应电机系统.文献［12］针对电力牵引系统的单相PWM整流器，利用电网侧已知信息设计了龙贝格状态观测器以重构直流母线电压，因其需要得到电网侧的实时信息，具有一定的局限性.基于此，设计一个简单有效的直流母线电压观测器来实时观测直流母线电压值很有必要.针对永磁同步电机控制系统采用自适应技术，设计了模型参考自适应（model reference adaptive system，MRAS）观测器对直流母线电压进行实时在线观测.传统的矢量控制一般采用PI控制器作为转速和电流调节器，在一定条件下它能起调节作用，但当系统参数变化或存在外部干扰时（例如，模型不确定、参数摄动、摩擦阻力和负载扰动等），则难以保证电机系统获得满意性能［13－15］.为了改善控制系统的的鲁棒性，一些非线性控制方法相继被提出.其中滑模（sliding mode，SM）变结构控制因为对PMSM系统参数时变和外部扰动的强鲁棒性，成为国内外的研究热点［16－18］.滑模控制无需精确的数学模型，可根据当前的系统状态构造滑模面，通过控制量的切换作用，迫使系统沿着既定的“滑动模态”运动.具有响应速度快、对外界参数不敏感、易于实现等优点［19］，在永磁同步电机控制领域被广泛使用.为提高PMSM控制系统的响应速度和抗负载扰动能力，本文根据矢量控制原理，设计了积分滑模控制器（integral sliding mode controller，ISMC），使得电机转速、直轴电流、交轴电流能快速收敛到给定值.此外采用连续幂次函数代替传统开关函数，以消除抖振、保证系统的稳定性.假设磁路不饱和，空间磁场呈正弦分布，不计涡流和磁滞损耗，PMSM定子电流方程在dq两相旋转坐标系下可表示为式中：ud，uq，id，iq，Ld，Lq分别为定子电压、电流、电感在dq轴的分量；Rs为定子电阻；ψf为永磁体磁链；np为磁极对数；wr为转子机械角速度. PMSM机械转动方程为式中：J为转动惯量；T1为负载转矩；Bm为阻力.电磁转矩可以表示为对于隐极式永磁同步电机而言，由于Ld＝Lq＝L，因此，电磁转矩可表示为Te＝1.5npψfiq.针对三相六开关电压源逆变器驱动PMSM控制系统，基于模型参考自适应观测器和滑模变结构控制理论，提出了PMSM无直流母线电压传感器积分滑模控制策略.系统结构框图如图1所示，该系统主要包括：模型参考自适应观测器、转速环积分滑模控制器、q轴电流积分滑模控制器、d轴电流积分滑模控制器、SVPWM模块及电压源逆变器等.2.1 模型参考自适应观测器设计对于由电压源型逆变器驱动的三相永磁同步电机，定子相电压是由施加在功率开关门极上的PWM信号和直流母线电压所决定的.因此定子电压幅值可近似的表示为式中：ma为调制系数；Vdc为直流母线电压；γ是由PWM开关方式决定的.当直流母线电压传感器发生故障，直流母线电压值无法获得的情况下，可将定子电压值近似为式中：Vdc（nom）为给定的直流母线电压值；若定义α＝Vdc／Vdc（nom），则us＝αu.通过准确观测α就可以得到真正的直流母线电压值.1）参考模型由式（1）可得模型自适应观测器的参考模型为式中：2）可调模型考虑直流母线电压是未知的，模型参考自适应观测器的可调模型表示（表示的估计值）如下：式中为反馈项，kv为反馈系数.对参考模型式（6）和可调模型式（7）做差，得到两个模型的输出之差（，表示的误差值）如式（8）所示.将式（8）写成向量形式如下：式中：为了得到使观测器稳定的自适应律，选择如下Lyapunov函数：式中：kα为正增益.对式（10）求导可得为保证误差系统式（8）稳定，需满足V1≤0.为此可做如下假设：则因为直流母线电压的变化率远小于定子电流变化率，可以认为因此可以得到从而得到的自适应律为为了提高直流母线电压的估计精度，本文采用基于比例积分作用的模型参考自适应观测器：式中：kp，ki分别为比例和积分增益.则Vdc的估计值可由得到.由以上分析可构造出基于MRAS的PMSM直流母线电压观测器结构框图，如图2所示.2.2 积分滑模控制器设计2.2.1 电机转速控制器设计转速控制器的设计目的就是寻找合适控制律，使得电机实际转速ωr能够快速准确地跟随给定转速，因此定义速度误差为eω＝－ωr.为提高电机转速的响应速度和跟踪精度，设计如下积分滑模面：式中：c1为常数；t→∞.根据式（2）和式（3）可进一步得到为避免滑模控制中由于开关项sign（·）函数引起的高频抖振现象，通常的做法是采用饱和函数sat（·）函数代替sign（·）函数，但是当系统进入稳态后，抖振现象依然存在.为了彻底消除这种抖振现象，本文通过引入连续幂次函数fal（·）函数将滑模控制律设计为其中：η1为滑模正增益；连续幂次函数fal（·）的定义如下：其中：δ为滤波因子；ε为非线性因子；当ε∈（0，1）时式（16）具有小误差大增益，这种特性是传统的饱和函数sat（·）所不具备的.根据式（14）和式（15）可以得出转速积分滑模控制器的输出为根据以上各式可得出PMSM转速控制器结构框图，如图3所示.为验证以式（17）为输出时滑模控制器的稳定性，定义Lyapunov函数为对上式求导，并将式（13）和式（17）代入得当δ1＞0，ε1∈（0，1）时Lyapunov函数V2正定，且其导数≤0，因此当采用式（17）所示的滑模控制律时，系统满足Lyapunov稳定性条件.2.2.2 电机交、直轴电流控制器设计交、直轴电流控制器用于精确跟踪dq轴电流，因此将dq轴电流误差定义为其中分别为dq轴坐标系下的定子电流参考值，且＝0.采用和转速环一样的控制策略将滑模切换面设计为进一步可得到同转速环一样，为减小dq轴电流脉动采用连续幂次函数函数fal（·）将电流环滑模控制趋近律取为由式（20）和式（21）即可求得交、直轴电流的输出为稳定性证明，同转速环，略.为验证所设计系统的正确性和有效性，采用Matlab／Simulink／Simspace进行了仿真研究，所采用的PMSM各项参数如表1所列.仿真过程中采样时间设置为100μs，电机参考转速1 000r／min，带2N·m负载启动，直流母线电压参考值Vdc（nom）＝300V.转速滑模控制器的参数为：c1＝0.2，η1＝2 400，ε1＝0.5，δ＝0.1；电流滑模控制器参数为：c2＝c3＝0.01，η2＝η3＝500，ε2＝ε3＝0.5，δ2＝δ3＝0.1；直流母线电压MRAS观测器中PI 控制器参数选择为：kp＝0.01，ki＝0.02.图4至图7分别给出了系统的直流母线电压观测曲线图和电机转速、转矩以及dq 轴电流曲线图.从图4可以看出所设计的MRAS观测器能够快速、准确地估计出系统直流母线电压值.图5至图7可以看出基于积分滑模的转速控制器、电流控制器能够使系统具有良好的转速、转矩响应以及稳定的dq轴电流值.针对PMSM驱动系统中直流母线电压传感器故障的情况，本文采用MRAS技术设计了一种简单易于实现的MRAS直流母线电压观测器，利用已知的转速、定子电流等信息精确估算出了直流母线电压值，保证了永磁同步电机在直流母线电压传感器故障状态下的正常运行，提高了PMSM的运行可靠性；采用积分滑模控制器作为系统的转速和电流控制器，提高了系统的响应速度，减小了转矩和电流脉动，将连续幂次函数fal（.）函数引入滑模控制律中，有效的消除了滑模抖振，提高了滑模控制器的控制性能.仿真结果表明了本文控制策略的正确性和实用性.【相关文献】［1］ Foo G H B，Zhang X，Vilathgamuwa D M.A sensor fault detection and isolation method in interior permanent－magnet synchronous motor drives based on an extended kalman filter［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（8）：3485－3495.［2］ Zakzouk N E，Abdelsalam A K，Helal A A，et al.DC－link voltage sensorless control technique for singlephase two－stage photovoltaic grid－connected system［C］／／IEEE International Energy Conference.Piscataway，NJ：IEEE Press，2014：58－64.［3］王本振，邓堪谊，于艳君，等.直流母线电压对载波频率成份法无位置传感器控制的影响分析［J］.微电机，2010，43（10）：10－12.［4］滕青芳，柏建勇，朱建国，等.基于滑模模型参考自适应观测器的无速度传感器三相永磁同步电机模型预测转矩控制［J］.控制理论与应用，2015，32（2）：150－161.［5］ Berriri H，Naouar M W，Slama－Belkhodja I.Easy and fast sensor fault detection and isolation algorithm for electrical drives［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（2）：490－499.［6］ Wallmark O，Harnefors L，Carlson O.Control algorithms for a fault－tolerant PMSM drive［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（4）：1973－1980. ［7］滕青芳，李国飞，朱建国，等.基于扩张状态观测器的无速度传感器容错逆变器驱动永磁同步电机系统自抗扰模型预测转矩控制［J］.控制理论与应用，2016，33（5）：676－684.［8］ Kim G S，Lee K B.Fault diagnosis and fault－tolerant control of a dc－link voltage sensor for PV inverters［C］／／International Power Electronics and Motion Control Conference.Piscataway，NJ：IEEE Press，2012：1408－1412.［9］滕青芳，左瑜君，柏建勇，等.基于MRAS观测器的无速度传感器永磁同步电机模型预测控制［J］.兰州交通大学学报，2014，33（4）：6－11.［10］ Jeong Y S，Sul S K，Schulz S E，et al.Fault detection and fault－tolerant control of interior permanent－magnet motor drive system for electric vehicle［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2005，3（1）：458－1463.［11］ Salmasi F R，Najafabadi T A，Jabehdar－Maralani P.An adaptive flux observer with online estimation of DC－link voltage and rotor resistance for VSI－based induction motors［J］.IEEE Transactions on Power E－lectronics，2010，25（5）：1310－1319. ［12］ Youssef A B，El Khil S K，Slama－Belkhodja I.State observer－based sensor fault detection and isolation，and fault tolerant control of a single－phase PWM rectifier for electric railway traction［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（12）：5842－5853.［13］王德贵.永磁同步电机调速系统的变参数PI控制［J］.伺服控制，2014（6）：39－41. ［14］ Tursini M，Parasiliti F，Zhang D.Real－time gain tuning of PI controllers for high－performance PMSM drives［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（4）：1018－1026.［15］鲁文其，胡育文，杜栩杨，等.永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统［J］.中国电机工程学报，2010，30（33）：78－83.［16］茅靖峰，吴爱华，吴国庆，等.永磁同步电机幂次变速趋近律积分滑模控制［J］.电气传动，2014（6）：50－53.［17］郑剑飞，冯勇，陆启良.永磁同步电机的高阶终端滑模控制方法［J］.控制理论与应用，2009，26（6）：697－700.［18］张晓光，赵克，孙力.永磁同步电动机混合非奇异终端滑模变结构控制［J］.中国电机工程学报，2011（27）：116－122.［19］刘金琨，孙富春.滑模变结构控制理论及其算法研究与进展［J］.控制理论与应用，2007，24（3）：407－418.。
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2020年第17期·35·文章编号：2095－6835（2020）17－0035－02基于MRAS 的PMSM 转速辨识＊刘书云，祝靖宇，任金霞（江西理工大学电气工程与自动化学院，江西赣州341000）摘要：提出了一种无位置传感器精确辨识永磁同步电机（PMSM ）转速的的方法。
针对传统机械式位置传感器带来的种种问题，基于MRAS 设计了转速辨识器，并利用Popov 准则证明了稳定性和收敛性。
基于MRAS 建立双闭环矢量控制PMSM 系统框图，并在MATLAB SIMULINK 平台进行仿真。
理论分析和仿真结果表明，提出的MRAS 能较好地辨识转速，动态响应速度较快，在工业伺服控制及电力拖等PMSM 具有一定的工程应用价值。
关键词：PMSM ；无位置传感器；MRAS ；转速辨识中图分类号：TM351文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.17.013永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor ）功率因数高、电机启动电流较小、闭环控制相对简单，并且具有较高的功率密度，因此在高性能的伺服系统和调速系统中获得了广泛应用。
目前PMSM 控制系统常采用矢量控制技术，需要安装传感器检测出PMSM 的转子位置，但会增加系统制造成本，较大的体积还限制了PMSM 驱动系统的应用场合。
因此，PMSM 的无位置传感器控制技术成为近年来国内外学者的研究重热点[1-2]。
本文期望将模型参考自适应（Model Reference Adaptive System ，MRAS ）取代机械式传感器，实现对PMSM 的无位置传感器控制。
1PMSM 数学模型三相PMSM 在同步旋转（d -q ）坐标系下的电压方程为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡q d d q r q d q d 00ψψψψωp i i R R u u （1）式（1）中：p =d /dt 为微分算子；R 为定子电阻；u d 、u q ，i d 、i q ，Ψd 、Ψq 分别为定子电压、定子电流、定子磁链在d -q 坐标下的分量。
基于MRAS无速度传感器的PMSM直接转矩控制赵湘衡;杨武;王敏怀【摘要】The direct torque control system of the maximum ratio of torque to current for PMSM (permanent magnet synchronous motor) was analyzed, which was used in hybrid electric vehicle. The system model of sensorless control for PMSM of the maximum ratio of torque to current was established based on the model of reference adaptive system using the reactive power as a speed estimation model. The error of the instantaneous and steady-state reactive power was utilized to design appropriate adaptive law, and the adaptive law was adjusted to estimate the speed. The system stability was ensured by Popov super-stability theory, and simulation was carried out at different speeds. The results show that the proposed method can effectively estimate the actual speed and the system has good dynamic and statistic performance.%对混合动力车用永磁同步电机最大转矩电流比的直接转矩控制系统进行分析。
