李 冉 趙光宙 徐紹娟
(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027 2.上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系 上饒 334000)
永磁同步電機(jī)由于具有高效節(jié)能、高功率密度以及強(qiáng)過載能力等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高性能的調(diào)速系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一般使用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度,這些傳感器不僅價(jià)格昂貴,而且存在可靠性問題。因此,開展無速度傳感器的研究已成為當(dāng)前交流傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向[1,2]。
目前,無速度傳感器控制方法主要分為兩類:一類是低速以及零速范圍內(nèi)基于凸極效應(yīng)及高頻信號(hào)注入的方法[3-6]。采用高頻信號(hào)注入技術(shù)的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測方法依賴外加的高頻激勵(lì),與轉(zhuǎn)速無關(guān),對(duì)信號(hào)檢測精度要求較高,且需要設(shè)計(jì)多個(gè)濾波器,實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。另一類是中高速范圍內(nèi)采用基波激勵(lì)方法[7-10],主要依賴電機(jī)的基波動(dòng)態(tài)模型,采用觀測器從電機(jī)反電動(dòng)勢中提取轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)。
文獻(xiàn)[7]采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置,但是由于建立的狀態(tài)觀測器模型比較復(fù)雜,因此實(shí)現(xiàn)起來比較困難。文獻(xiàn)[8]采用了基于電機(jī)的精確模型法,該方法計(jì)算簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,但是這種方法中速度計(jì)算依賴電機(jī)的參數(shù),沒有誤差校正環(huán)節(jié),因而難以保證調(diào)速系統(tǒng)抗干擾性。文獻(xiàn)[9]采用模型參考自適應(yīng)法識(shí)別轉(zhuǎn)子速度,該算法可以保證參數(shù)估計(jì)的漸進(jìn)收斂,具有良好的動(dòng)態(tài)性能,但在低速時(shí)會(huì)由于電流檢測和參數(shù)估計(jì)精度的限制以及逆變器非線性的影響,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度和位置無法精確估計(jì)。文獻(xiàn)[10,11]是滑模觀測器估算轉(zhuǎn)子位置和速度,其基本原理是滑模控制,具有對(duì)參數(shù)變化及外部擾動(dòng)不敏感,魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。但是,一旦滑模控制進(jìn)入滑模狀態(tài)后,由于開關(guān)時(shí)間和空間上的滯后,使得滑模觀測器呈現(xiàn)出固有的抖動(dòng)現(xiàn)象,觀測值沿著實(shí)際值上下振蕩,振蕩現(xiàn)象會(huì)影響被估量的估計(jì)精度。
因此,為了解決抖動(dòng)帶來的影響,本文提出一種基于擴(kuò)展滑模觀測器的非線性觀測器方法,根據(jù)估計(jì)定子電流和實(shí)測定子電流之間的誤差構(gòu)成滑模面得到估計(jì)反電動(dòng)勢和實(shí)際反電動(dòng)勢之間的誤差,再應(yīng)用模型參考自適應(yīng)及李亞普諾夫穩(wěn)定性原理,選取適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)律,使得可調(diào)模型趨近于參考模型,從而提取轉(zhuǎn)子速度以及反電動(dòng)勢信號(hào),避免了傳統(tǒng)滑模觀測器通過估計(jì)反電動(dòng)勢數(shù)值計(jì)算得到位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)存在的抖動(dòng)問題。
表面式隱極永磁同步電機(jī)在靜止α-β坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為
式中
iα,iβ—定子電流α-β軸分量;
uα,uβ—定子電壓α-β軸分量;
eα,eβ—反電動(dòng)勢α-β軸分量;
Ls—定子電感;
R—定子電阻;
ψf—轉(zhuǎn)子磁鏈;
ωr—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本理論和靜止 α-β坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,構(gòu)造定子電流滑模觀測器
式中k—滑模增益。
由式(2)減式(1)可得估計(jì)電流的誤差方程
K中不僅包含了反電動(dòng)勢的信息,而且含有bang-bang控制產(chǎn)生的高頻信號(hào),將不連續(xù)的含有高頻成分的切換控制量經(jīng)過適當(dāng)?shù)牡屯V波后得到等效控制量,即估計(jì)反電動(dòng)勢?eα、?eβ。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)從估計(jì)反電動(dòng)勢中提取出來
轉(zhuǎn)子速度也可以從估計(jì)反電動(dòng)勢中提取出來
由于滑模變結(jié)構(gòu)控制在滑動(dòng)模態(tài)下伴隨著高頻抖動(dòng),因此估計(jì)反電動(dòng)勢中將存在高頻抖動(dòng)。如果直接將這種抖動(dòng)引入算術(shù)運(yùn)算,高頻抖動(dòng)將被放大,進(jìn)而造成較大的速度以及轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差。為了解決這一問題,本文從擴(kuò)展滑模觀測器模型出發(fā),應(yīng)用自適應(yīng)原理來提取反電動(dòng)勢信號(hào),進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)。
表面式隱極永磁同步電機(jī)在靜止α-β坐標(biāo)系下擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程為
式中
根據(jù)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程,可構(gòu)造如下擴(kuò)展滑模觀測器
式中
由式(8)減式(7)可得電流誤差動(dòng)態(tài)方程
將上述結(jié)論代入方程(8)中反電動(dòng)勢部分,可以得到滑模運(yùn)行濾波后反電動(dòng)勢的估計(jì)動(dòng)態(tài)方程
結(jié)合式(7)中給出
從而形成模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)。這里方程(10)是模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)中的可調(diào)模型,l2=l1/ls為常數(shù)。方程(11)是模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)中的參考模型,通過選取適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)律,使得誤差-eα逐漸逼近于零,從而可調(diào)模型方程(10)很好地跟蹤參考模型方程(11),即可調(diào)模型中的待估參數(shù)得以辨識(shí)。取Lyapunov函數(shù)為V=X·XT/2,其中,由模型參考自適應(yīng)原理可知,若V≥0 且V˙≤0,可得l2>0,但不能太大,太大會(huì)造成估計(jì)反電動(dòng)勢無法收斂到實(shí)際反電動(dòng)勢,同時(shí)得到自適應(yīng)律為
整個(gè)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)控制框圖如圖 1所示。
圖1 模型參考自適應(yīng)估算轉(zhuǎn)子速度控制框圖Fig.1 The block diagram of rotor velocity estimation based on MRAS
和前面?zhèn)鹘y(tǒng)滑模觀測器不同的是,擴(kuò)展滑模觀測器等效控制后得到的是反電動(dòng)勢實(shí)際值和估計(jì)值之間的誤差量,而不是反電動(dòng)勢的估計(jì)值,其原因是為了構(gòu)造模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的參考模型和可調(diào)模型,從而提取轉(zhuǎn)子速度和位置信號(hào)。整個(gè)算法與傳統(tǒng)滑模觀測器不同的是,其運(yùn)用模型參考自適應(yīng)來提取估計(jì)反電動(dòng)勢信號(hào),而不是傳統(tǒng)滑模觀測器直接估算出反電動(dòng)勢,同時(shí)根據(jù)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)中自適應(yīng)律選擇來提取轉(zhuǎn)子速度,取代傳統(tǒng)滑模觀測器通過反電動(dòng)勢數(shù)值計(jì)算得到轉(zhuǎn)子速度。由此可見,算法并不復(fù)雜,同時(shí),可以避免滑模抖動(dòng)對(duì)估計(jì)量的直接影響,因此,理論上該方案是可行的。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證新方法的有效性,本文搭建了系統(tǒng)仿真模型和基于TMS320F2812硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí),控制周期、定子電流的采樣周期和速度估計(jì)的計(jì)算周期都是100μs,PWM逆變器的載波頻率為 10kHz。仿真參數(shù)根據(jù)實(shí)際電機(jī)的參數(shù)選取,兩者比較接近。具體參數(shù)為:額定功率750W,額定電壓220V,額定電流2.5A,額定轉(zhuǎn)速1 500r/min,定子電阻0.8Ω,定子d/q軸電感4.5mH,轉(zhuǎn)子磁鏈0.08Wb,極對(duì)數(shù)2,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0012kg·m2。
在無速度傳感器矢量控制仿真模型中,給定轉(zhuǎn)速是分別為中速300r/min、高速1 000r/min時(shí),采用傳統(tǒng)滑模觀測器和擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)反電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)子速度以及轉(zhuǎn)子位置,仿真結(jié)果如圖2~圖5所示。
圖 2a是給定轉(zhuǎn)速 300r/min時(shí)傳統(tǒng)滑模觀測器估計(jì)的α-β靜止坐標(biāo)系下反電動(dòng)勢α軸分量,圖 2b是對(duì)圖2a的局部放大,可以看出由于滑模控制自身的機(jī)理,使得估計(jì)反電動(dòng)勢包含一定成分的高頻抖動(dòng)。同時(shí),由于傳統(tǒng)滑模觀測器在提取反電動(dòng)勢的過程中需要的低通濾波,所以估計(jì)反電動(dòng)勢有一定程度的延遲。圖2c和圖2d是給定速度1 000r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢α軸分量,同樣高頻抖動(dòng)很大。
圖2 傳統(tǒng)滑模觀測器估計(jì)反電動(dòng)勢α軸分量及局部放大圖Fig.2 The estimation of back-emf by means of the traditional SMO with corresponding amplified waveforms
圖 3a是給定轉(zhuǎn)速 300r/min時(shí)擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)的α-β靜止坐標(biāo)系下反電勢α軸分量,圖 3b是其局部放大,可以看出較傳統(tǒng)滑模觀測器而言,擴(kuò)展滑模觀測器估算出來的反電動(dòng)勢基本不含高頻成分,波形平滑很多,同時(shí)估計(jì)反電動(dòng)勢相位與實(shí)際反電動(dòng)勢的相位基本保持一致。圖3c和圖3d是給定速度 1 000r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢α軸分量,同樣可以看出,擴(kuò)展滑模觀測器能夠有效的消除傳統(tǒng)滑模觀測器本身帶來的抖動(dòng)。
圖3 擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)反電動(dòng)勢α軸分量及局部放大圖Fig.3 The estimation of back-emf by means of the extended SMO with corresponding amplified waveforms
轉(zhuǎn)子位置通過估計(jì)反電動(dòng)勢的反正切運(yùn)算可以得到。圖 4a是 300r/min時(shí)傳統(tǒng)滑模觀測器估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置波形,從其局部放大圖4b可以看到,估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置有明顯的高頻成分。而圖4c和圖4d是擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置,與傳統(tǒng)方法相比,轉(zhuǎn)子位置估計(jì)曲線沒有高頻干擾成分,比較平滑,與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置的誤差相對(duì)小些,同時(shí)啟動(dòng)瞬間的位置跟蹤更為精確。
圖4 300r/min時(shí)傳統(tǒng)、擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)轉(zhuǎn)子位置以及局部放大圖Fig.4 The estimation of rotor position by means of the traditional SMO and the extended SMO with corresponding amplified waveforms at 300r/min
圖 5是1000r/min時(shí)傳統(tǒng)滑模觀測器與擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置波形對(duì)比,從圖5a及圖5b可以看出估計(jì)反電勢高頻成分的存在導(dǎo)致估計(jì)位置波形高頻抖動(dòng)。而從圖5c及圖5d可以看出,擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置平滑很多。
圖6給出兩種方法在轉(zhuǎn)子速度估計(jì)上的差異。圖6a和圖6b是轉(zhuǎn)速給定值300r/min時(shí)的估計(jì)轉(zhuǎn)子速度波形。圖6a是傳統(tǒng)滑模觀測器估計(jì)轉(zhuǎn)子速度波形,對(duì)其局部放大,可以很清晰地看出,由于轉(zhuǎn)子速度的估計(jì)是建立在反電勢估計(jì)的基礎(chǔ)上的,所以估計(jì)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)很大的高頻抖動(dòng)成分,同時(shí)由于其帶來的誤差,使得轉(zhuǎn)子磁場定位不準(zhǔn),估計(jì)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。而從圖6可以看出,擴(kuò)展滑模觀測器估算出來的轉(zhuǎn)子速度平滑很多,啟動(dòng)沒有超調(diào),有效避免了傳統(tǒng)方法估計(jì)轉(zhuǎn)速存在的高頻抖動(dòng)問題。圖6c和圖6d是1 000r/min時(shí)兩種方法轉(zhuǎn)速估計(jì)上的比較,同樣可以驗(yàn)證擴(kuò)展滑模觀測器在高速時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)的可行性和優(yōu)越性。
圖5 1000r/min時(shí)傳統(tǒng)、擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)轉(zhuǎn)子位置以及局部放大圖Fig.5 The estimation of rotor position by means of the traditional SMO and the extended SMO with corresponding amplified waveforms at 1000r/min
圖6 傳統(tǒng)滑模觀測器、擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)轉(zhuǎn)子速度以及局部放大圖Fig.6 The estimation of rotor velocity by means of the traditional SMO and the extended SMO with corresponding amplified waveforms
對(duì)基于擴(kuò)展滑模觀測器的永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值分別為300r/min和1 000r/min時(shí), 采用傳統(tǒng)滑模觀測器和擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)反電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)子速度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7~圖9所示。
圖7是在中速300r/min和高速1 000r/min時(shí)分別采用傳統(tǒng)滑模觀測器、擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)反電勢α軸分量的實(shí)驗(yàn)波形,從圖7a、7c可以看出,無論是中速還是高速時(shí),傳統(tǒng)滑模觀測器得到的反電動(dòng)勢波形中有很大的紋波抖動(dòng),而圖7b、圖7d給出的擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)反電勢波形要平滑很多。
圖7 傳統(tǒng)滑模觀測器、擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)反電動(dòng)勢α軸分量波形Fig.7 The experimental waveforms of estimated α component of back-EMF by means of the traditional SMO and the extended SMO respectively
圖 8a、圖 8c是在中速 300r/min和高速 1 000 r/min時(shí)使用傳統(tǒng)滑模觀測器估計(jì)轉(zhuǎn)子位置波形,從圖中可以看出,估計(jì)轉(zhuǎn)子位置波形受高頻抖動(dòng)的影響很大,存在大量的高頻抖動(dòng)成分,波形不夠光滑,毛刺很多。圖 8b、圖 8d對(duì)應(yīng)中、高速時(shí)擴(kuò)展滑模觀測器估計(jì)轉(zhuǎn)子位置波形,相對(duì)傳統(tǒng)方法,估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置波形平滑很多,基本不含高頻抖動(dòng)分量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果相吻合,進(jìn)一步證明本文所提方法的可行性。
圖8 傳統(tǒng)滑模觀測器、擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)轉(zhuǎn)子位置波形Fig.8 The experimental waveforms of estimated rotor position by means of the traditional SMO and the extended SMO respectively
轉(zhuǎn)子速度運(yùn)用模型參考自適應(yīng)原理從反電動(dòng)勢信號(hào)中提取出來,避免傳統(tǒng)方法直接根據(jù)反電動(dòng)勢與速度之間的數(shù)值關(guān)系計(jì)算得到,因此可以避免估計(jì)反電動(dòng)勢的抖動(dòng)帶來的影響。圖 9a、圖 9b給出了中速300r/min和高速1 000r/min時(shí)兩種方法的實(shí)驗(yàn)波形,可以清晰地看出在穩(wěn)態(tài)工況下,擴(kuò)展滑模觀測器對(duì)轉(zhuǎn)子速度的估計(jì)更為準(zhǔn)確,波形平滑,不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。
圖9 傳統(tǒng)滑模觀測器、擴(kuò)展滑模觀測器分別估計(jì)轉(zhuǎn)子速度波形Fig.9 The experimental waveforms of estimated rotor velocity by means of the traditional SMO and the extended SMO respectively
本文提出一種基于擴(kuò)展滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的新方法,通過擴(kuò)展滑模動(dòng)態(tài)方程將滑模觀測器和模型參考自適應(yīng)原理結(jié)合起來,為估計(jì)轉(zhuǎn)子速度和位置提供一個(gè)新的思路,同時(shí)建立起基于新方法的無傳感器矢量控制系統(tǒng),從仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究兩方面驗(yàn)證新方法的可行性,有效地解決了傳統(tǒng)滑模觀測器由于自身抖動(dòng)帶來的轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差較大的問題。
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