基于自適應(yīng)模糊滑模的PMSM無速度傳感控制研究

劉芳璇,崔 晶 ,李益民,王桂榮

（1. 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系, 陜西 西安 710014；2. 中國計量學(xué)院 機電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018）

基于自適應(yīng)模糊滑模的PMSM無速度傳感控制研究

劉芳璇1,崔 晶1,李益民1,王桂榮2

（1. 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 牽引動力系, 陜西 西安 710014；2. 中國計量學(xué)院 機電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018）

為研究永磁同步電機（PMSM）在無速度傳感器工況下的速度跟蹤估計，以PMSM的工作原理為基礎(chǔ)，建立了內(nèi)埋式PMSM的數(shù)學(xué)模型。利用自適應(yīng)模糊微分積分滑模魯棒性強的優(yōu)點，提出了在自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂茥l件下采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法對電機轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器控制方案，并分析了電機在高低速運行時特點。仿真結(jié)果表明，采用高頻注入法的自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂葡到y(tǒng)在高、低速工況下運行時穩(wěn)定可靠，并具有較好的魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)速度跟蹤估計。

永磁同步電機；自適應(yīng)模糊微分積分滑模控制；旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法；轉(zhuǎn)速估計；無速度傳感器

在現(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)中，為實現(xiàn)高精度，高動態(tài)性能的速度和位置控制，一般都需用傳感器測量轉(zhuǎn)子的位置和速度。傳統(tǒng)的機械式傳感器存在著安裝，連接和故障等問題，大幅降低系統(tǒng)的可靠性及魯棒性，尤其是在高速、高精度控制中，更有結(jié)構(gòu)、價格等因素制約了其適用范圍。而永磁同步電機(PMSM)的無速度傳感器控制，不僅有效避免了采用機械式傳感器所帶來的缺陷，減少了電機的體積和成本，而且能夠準(zhǔn)確估計其轉(zhuǎn)子的速度和位置。在眾多型號的PMSM中，內(nèi)埋式PMSM因其功率因數(shù)高、功率密度高以及過載能力強而應(yīng)用廣泛，其無速度傳感器矢量控制技術(shù)已成為研究的熱點[1-3]。目前已經(jīng)提出了很多估計其轉(zhuǎn)速的方法，如文獻[4]提出的卡爾曼濾波器法，文獻[5-6]述及的模型參考自適應(yīng)法，以上兩種估算方法較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)計均比較困難。而旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法主要應(yīng)用于凸極率較大的內(nèi)埋式PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測。雖然自檢測系統(tǒng)較為復(fù)雜，提取轉(zhuǎn)子位置信息的算法對系統(tǒng)性能影響較大，電機須具有較高的凸極率作為外部條件，但從現(xiàn)實角度來講，采用高頻電壓注入法的轉(zhuǎn)子位置檢測系統(tǒng)自成一體，易于調(diào)試和實現(xiàn)，并兼具良好的抗干擾性和穩(wěn)定性。因而，旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法被廣泛應(yīng)用于無傳感器的PMSM矢量控制中[7]。

PMSM矢量控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)通常采用常規(guī)PI控制器，其抗干擾性和抗參數(shù)攝動能力不夠理想，難以獲得滿意的動態(tài)性能，而滑?？刂破骶哂锌箶_動能力強，以及魯棒性好等特點[8-9]。因此，本文設(shè)計了一種自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂破?，將其作為速度閉環(huán)的控制器，同時基于旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法的無速度傳感技術(shù)對PMSM進行矢量控制。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)快速，無超調(diào)，抗負(fù)載擾動性能佳，魯棒性強。

1 自適應(yīng)模糊微分積分滑模控制器設(shè)計

PMSM在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

1 )定子電壓方程：

2 )定子磁鏈方程：

對于內(nèi)埋式PMSM，有 Ld≠Lq。

3 )電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

將式(2)代得：

4 )力矩平衡方程:

選取積分滑模面為：

根據(jù)到達滑模面的廣義條件設(shè)計自適應(yīng)微分積分控制器及控制律分別如式（8）、式（9）所示：

定義Lyapunov函數(shù)為：

對控制變量u設(shè)計模糊控制器，得：

2 仿真結(jié)果及分析

對內(nèi)埋式PMSM無速度傳感器控制系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法結(jié)合自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂破鬟M行仿真研究。無速度傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用id=0矢量控制法，逆變器輸出電壓采用SVPWM調(diào)制技術(shù)，所選內(nèi)埋式PMSM參數(shù)見表1。選擇逆變器開關(guān)頻率為10kHz，采樣頻率為20 kHz，高頻電壓頻率為1 kHz，幅值為基波幅值的0.1倍。低通濾波器的通帶和阻帶截止頻率分別設(shè)定為1 Hz和10 Hz；帶通濾波器的通帶上、下限截止頻率分別為1100 Hz和900 Hz；帶阻濾波器的通帶上、下限截止頻率分別為1 980 Hz和 1 020 Hz。

圖1 無速度傳感器PMSM AFDI-SMC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System of speed sensor-less AFDI-SMC

表1 PMSM參數(shù)表Tab1. Parameters of embedded PMSM

圖3為PMSM低速負(fù)載運行時的響應(yīng)特性。如圖3(a)所示，給定轉(zhuǎn)速為50 r/min，啟動轉(zhuǎn)矩為0 N·m，在0.3 s時突加1 N·m的負(fù)載，并在0.5 s時突卸該負(fù)載。轉(zhuǎn)速估計曲線在0.08 s時出現(xiàn)超調(diào)，后經(jīng)大約0.07 s恢復(fù)穩(wěn)定。圖3(b)為PMSM低速負(fù)載運行時電角度估計圖?？芍?，PMSM低速運行時加、卸載性能佳，魯棒性強。

圖2 PMSM高速負(fù)載運行響應(yīng)特性Fig.2 Estimated loaded response at high speed

圖3 PMSM低速負(fù)載運行響應(yīng)特性Fig.3 Estimated loaded response at low speed

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了自適應(yīng)模糊微分積分速度閉環(huán)滑?？刂破?，并采用基于旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法的無速度傳感器技術(shù)對PMSM進行矢量控制。由仿真結(jié)果知，PMSM滑?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)子響應(yīng)快速，具有良好的動態(tài)特性。自適應(yīng)模糊微分積分滑?？刂破鲗ο到y(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動、外部干擾等具有良好的自適應(yīng)性，不僅能夠保證PMSM調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能，還可有效改善其魯棒性和抗干擾性能。

[1]Dutta R, Rahman M F. Design and analysis of an interior permanent magnet machine with very wide constant power operation range[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008, 23(1):25-33.

[2]Reigosa D D, Garcia P, Lorenz R D, et al. Measurement and adaptive decoupling of cross-saturation effects and secondary saliencies in sensorless controlled IPM synchronous machine [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(6): 1758-1767.

[3] 尚喆, 趙榮祥, 竇汝振. 基于自適應(yīng)滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器控制研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2007,27(1): 23-27.

SHANG Zhe, ZHAO Rong-xiang, DOU Ru-zhen. Research on sensorless method of PMSM based on an adaptive sliding mode observer.[J].Proceedings of the CSEE, 2007,27(3):23-27.

[4]劉英培, 萬健如, 梁鵬飛. 基于擴展卡爾曼濾波器和空間電壓矢量調(diào)制的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2009, 29, (27):67-74.

LIU Ying-pei, WAN Jian-ru, LIANG Peng-fei. Direct torque controls for permanent magnet synchronous motor drive based on extended Kalman filter and space vector modulation [J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(27):67-74.

[5] 王慶龍，張崇巍，張興. 基于變結(jié)構(gòu)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的永磁同步電機轉(zhuǎn)速辨識[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2008, 28(9): 71-75.

WANG Qing-long, ZHANG Chong-wei, ZHANG Xing. Variablestructure MARS speed identification for permanent magnet synchronous motor [J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(9): 71-75.

[6]趙信杰, 李銳華, 胡波, 等. 無速度傳感器的永磁同步電機滑?？刂芠J]. 電機與控制應(yīng)用, 2012, 39(1): 22-25.

ZHAO Xin-jie, LI Rui-hua, HU Bo, et al. Sliding mode control for permanent magnet synchronous motor based on speed sensorless[J]. Electric machines and control application, 2012, 39(1): 22-25.

[7] 秦峰, 賀益康, 劉毅, 等. 兩種高頻信號注入法的無傳感器運行研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2005, 25(5): 116-121.

QIN Feng, HE Yi-kang, LIU Yi, et al. Comparative investigation of sensorless control with two high-frequency signal injection schemes[J]. Proceedings of the CSEE, 2005,25(5):116-121.

[8] CHI Song, ZHANG Zheng, XU Long-ya. Sliding-mode sensorless control of direct-drive PM synchronous motors for washing machine applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2009, 45(2): 582-590.

[9] 汪海波, 周波, 方斯琛. 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的滑模控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009, 24(9): 71-76.

WANG Hai-bo, ZHOU Bo, FANG Si-chen. Sliding mode controller for PMSM drive[J]. Transactions of China Electro-Technical Society, 2009, 24(9): 71-76.

Research on speed sensor-less PMSM with adaptive fuzzy sliding mode control

LIU Fang-xuan1, CUI Jing1, LI Yi-min1, WANG Gui-rong2
（ 1. Department of railway power traction, Xi ‘a(chǎn)n railway vocational and technical college, Xi’an 710014, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, China Metrology University, Hangzhou 310018，China）

Based on the principle of PMSM, a mathematical model of embedded PMSM was established for the study of speed tracking estimates of PMSM without speed sensor. The speed sensor-less control scheme, which adopted rotating high frequency voltage injection method to estimate the speed of the motor, was proposed with the robust advantage of adaptive fuzzy differential and integral sliding mode control (AFDI-SMC), and the working characters at both high and low speed were also analyzed. Simulative results illustrate that the control system is reliable in both occasions and capable of achieving better speed tracking control with good robustness.

Permanent Magnetic Synchronous Motor (PMSM); Adaptive fuzzy Differential and Integral Sliding Mode control (AFDI-SMC); rotating high frequency voltage injection method; speed estimation; speed sensor-less.

TN351

A

1674-6236(2014)14-0069-03

2014-04-14 稿件編號：201404150

國家自然科學(xué)基金資助項目（61203113）

劉芳璇(1988 —)，男，陜西西安人，碩士，助教。研究方向：電/液/氣伺服系統(tǒng)及其驅(qū)動技術(shù)、群智能算法等。