Luenberger觀測器在永磁同步電機(jī)無傳感器控制中的應(yīng)用研究*

周雙飛, 黃海波, 簡 煒

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

Luenberger觀測器在永磁同步電機(jī)無傳感器控制中的應(yīng)用研究*

周雙飛, 黃海波, 簡 煒

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

在永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量控制中，根據(jù)Luenberger觀測器原理，提出了一種基于Luenberger觀測器的PMSM轉(zhuǎn)子速度和位置的估算方法，有效解決了PMSM由于機(jī)械傳感器安裝帶來的一些弊端。利用MATLAB/Simulink工具搭建控制系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果表明控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。最后，在以STM32F103ZET6為控制核心的硬件系統(tǒng)上進(jìn)行算法的實(shí)現(xiàn)，試驗結(jié)果表明基于Luenberger觀測器的PMSM控制系統(tǒng)具有較高的控制精度且穩(wěn)定性較好。

永磁同步電機(jī)；無速度傳感器；Luenberger觀測器

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有高動態(tài)性能、高功率密度、輕量化等特點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，PMSM得到廣泛的應(yīng)用。目前PMSM的控制方法主要包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制是通過將電機(jī)的定子電流從三相靜止坐標(biāo)系變換到以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦，獲得與直流電機(jī)一樣的動態(tài)調(diào)速性能；直接轉(zhuǎn)矩控制通過空間矢量的分析方法，在定子坐標(biāo)系下直接實(shí)現(xiàn)磁鏈計算與轉(zhuǎn)矩控制，但其有著磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動問題[1]，故通常情況下選擇矢量控制來實(shí)現(xiàn)PMSM的控制。

PMSM控制系統(tǒng)，需要得到精確的轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)較高的控制特性。目前，主要通過在轉(zhuǎn)子上安裝機(jī)械式的傳感器獲取其信號，傳感器的安裝會增加電機(jī)控制系統(tǒng)的成本，降低穩(wěn)定性，還使其在振動、潮濕等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用受到限制[2]。因此利用容易獲得的電機(jī)物理量來計算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，取代機(jī)械傳感器的無傳感器算法得到廣泛關(guān)注。

目前PMSM無位置傳感器矢量控制方法主要有滑模觀測器、Luenberger觀測器[3-4]、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等。擴(kuò)展卡爾曼濾波器對噪聲有濾波作用，且有良好的抗干擾能力，但該算法復(fù)雜，對硬件性能要求較高[5]，而滑模觀測器存在抖振問題[6]，因此為解決以上問題，采用基于Luenberger觀測器的PMSM無傳感器矢量控制算法，在Simulink中搭建仿真模型，驗證該算法的優(yōu)越性，并設(shè)計硬件系統(tǒng)進(jìn)行驗證。

1 PMSM無傳感器控制系統(tǒng)

基于Luenberger觀測器的PMSM無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。采用容易測量的電壓和電流來估計得到電機(jī)的反電動勢eα、eβ，利用轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速與反電動勢的關(guān)系，可計算得到雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)所需要的轉(zhuǎn)子位置信息θ和速度外環(huán)反饋信息ωr?？刂葡到y(tǒng)采用3個PI調(diào)節(jié)器和電壓SVPWM技術(shù)來控制電機(jī)的運(yùn)行。

圖1 無傳感器控制系統(tǒng)整體框圖

2 Luenberger觀測器設(shè)計

PMSM Luenberger觀測器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用PMSM容易測量的電壓uα、uβ和電流iα、iβ作為輸入，對其進(jìn)行狀態(tài)重構(gòu)，采用估計電流與實(shí)際電流的偏差對估計狀態(tài)不斷修正的方法[7]，使估計值接近真實(shí)值。

圖2 Luenberger觀測器結(jié)構(gòu)圖

在靜止αβ坐標(biāo)系下的電機(jī)狀態(tài)方程為

式中：Rs、Ls——電機(jī)定子相電阻和相電感；

iα、iβ，uα、uβ——定子兩相靜止坐標(biāo)系定子繞組電流和電壓；

λr——轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；

ωr——轉(zhuǎn)子速度；

p——電機(jī)的極對數(shù)。

設(shè)

根據(jù)電機(jī)狀態(tài)方程建立αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

選取狀態(tài)變量x=[iαiβeαeβ]T,控制變量u=[uαuβ]T,輸出變量y=[eαeβ]T。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，由于采樣時間很短，可將單個采樣周期內(nèi)的機(jī)械轉(zhuǎn)速ωr變化量視為零，則

建立Luenberger觀測器：

為了簡化極點(diǎn)的配置，設(shè)

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信息可從PMSM反電動勢的分量eα、eβ計算得到：

3 系統(tǒng)仿真模型的搭建及分析

為了驗證該控制系統(tǒng)的性能，在MATLAB/Simulink平臺搭建基于Luenberger觀測器的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。其中：PMSM采用42JSF330AS-1000型號的伺服電機(jī)，供電電壓24 V，額定功率32 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，相電阻2.1 Ω，相電感Ld=Lq=1.4 mH，反電動勢系數(shù)Ke=4.29 V/krpm，極對數(shù)為4。

為構(gòu)建數(shù)字化的濾波器，需要對Luenberger觀測器進(jìn)行離散化，設(shè)采樣時間Ts=1e-6，則離散化的觀測器為

其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。k1和k2為觀測器增益，其值的選擇直接關(guān)系到觀測器性能的優(yōu)劣。k1、k2可通過計算觀測器特征值的方法得到其值的大小，由于計算比較復(fù)雜，在此選擇在傳感器模式下啟用觀測器，試湊得到k1、k2的初值，再切換到觀測器模式下進(jìn)行微調(diào)，由此得到k1=-9 000，k2=80 000。

圖3 基于Luenberger觀測器的PMSM控制系統(tǒng)仿真模型

圖4 Observer模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

設(shè)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，反電動勢估計曲線如圖5所示。反電動勢曲線呈現(xiàn)非常好的正弦波形，且PMSM起動過程中波動較小，為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確估計奠定良好的基礎(chǔ)。圖6為轉(zhuǎn)子位置響應(yīng)曲線，約0.01 s后估計的轉(zhuǎn)子位置曲線與實(shí)際位置曲線幾乎重合，跟蹤效果較好。圖7為速度響應(yīng)曲線，可以看出電機(jī)起動過程用時約0.04 s，且起動過程比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后估計轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差幾乎為零，控制效果比較理想。

圖5 反電動勢估計曲線

圖6 轉(zhuǎn)子位置響應(yīng)曲線

圖7 速度響應(yīng)曲線

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用前面的理論和仿真結(jié)論，實(shí)現(xiàn)PMSM無傳感器矢量控制系統(tǒng)，硬件部分采用低功耗、高性能的STM32F103ZET6為控制芯片設(shè)計控制系統(tǒng)，電機(jī)采用與仿真同型號的PMSM，軟件部分采用C語言編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。

做與仿真相同的試驗，目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為2 000 r/min，通過DAC功能輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr及反電動勢分量eα、eβ，并設(shè)計簡單的RC低通濾波器輸出波形。圖8為電機(jī)的反電動勢波形圖，輸出波形比較好且比較穩(wěn)定；圖9為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速波形圖，波形1為輸出的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，通過encode編碼器測量得到，波形2為輸出的觀測器觀測的電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以看出電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，觀測轉(zhuǎn)速有小幅度的波動，實(shí)際轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，控制系統(tǒng)整體效果較好。

圖8 反電動勢波形圖

圖9 輸出轉(zhuǎn)速波形圖

5 結(jié) 語

本文通過設(shè)計Luenberger觀測器，估計得到PMSM的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信息，有效解決了傳統(tǒng)傳感器的一些弊端，且該算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)。仿真和試驗結(jié)果表明基于Luenberger觀測器的PMSM矢量控制系統(tǒng)具有較好的控制精度，且響應(yīng)速度非?？?，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

[1] 楊國良,李建雄.永磁同步電機(jī)控制技術(shù)[M].北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社,2015.

[2] BOUSSAK M, JARRAY K. A high performance sensorless indirect stator flux orientation control of induction motor drive[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(1): 41.

[3] SBITAL B H M. An MRAS-based full order Luenberger observer for sensorless DRFOC of induction motors[J].ICGST-ACSE Journal,2007,7(1):11-20.

[4] 任向杰,陳冰.Luenberger速度觀測器在同步運(yùn)動控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2011(12): 10-13.

[5] 陳殷.永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)研究[D].杭州: 浙江大學(xué),2014.

[6] 李立毅,譚廣軍.基于Luenberger觀測器的高速PMSM無傳感器技術(shù)研究[J].微電機(jī),2013,41(4): 31.

[7] ELLIS G. Observers in control systems-a practical guide[G].2002.

ResearchonApplicationofLuenbergerObserverinSensorlessControlofPermanentMagnetSynchronousMotor*

ZHOUShuangfei,HUANGHaibo,JIANWei

(School of Electrical & Information Engineering, Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002, China)

In the vector control of permanent magnet synchronous motor (PMSM), according to the principle of Luenberger observer, a based on Luenberger observer of PMSM rotor speed and position estimation method was proposed, an effective solution to some drawbacks of the PMSM due to the installation of mechanical sensors. Using MATLAB/Simulink tool to build the control system simulation model and simulation, simulation results showed that the control system had good control performance. Finally, in STM32F103ZET6 as the control core of the hardware system for algorithm implementation. The experimental results showed that the PMSM control system based on Luenberger observer had high control precision and good stability.

permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM);sensorlesscontrol;Luenbergerobserver

湖北省科技支撐計劃項目(2015BAA049)；湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFB378)；湖北省教育廳科學(xué)研究計劃項目(D20131802)；智能駕駛控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室(籌)開放基金項目(ZDK2201402)

周雙飛(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為節(jié)能與新能源汽車。

黃海波(1974—)，男，博士，教授，研究方向為節(jié)能與新能源汽車。

TM 351

A

1673-6540(2017)10- 0059- 04

2017 -01 -31