基于IMM的永磁電機(jī)無速度傳感器技術(shù)

張鈞天　黃輝先　王程嘯　譚榮福

摘要：提出一種新穎的基于IMM算法的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置觀測器，用于永磁電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)辨識。以期削弱滑模觀測器的抖動，提高模型參考自適應(yīng)觀測器的動態(tài)性能。該方法基于交互式多模型算法的核心思想，在永磁同步電機(jī)Id=0的雙閉環(huán)電壓矢量控制系統(tǒng)運(yùn)行時缺少直接速度測量手段的情況下，用滑模觀測器（SMO）和模型參考自適應(yīng)觀測器（MARS）對電機(jī)的即時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行并行估測，計算出兩組不同的SVPWM電壓輸入uα、uβ值，再賦予權(quán)值進(jìn)行交互輸出電壓值。通過分析和仿真結(jié)果表明，所提出的永磁電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速辨識方法具有較強(qiáng)的魯棒性和令人滿意的動靜態(tài)性能。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；IMM；無速度傳感器；速度辨識

中圖分類號：TM341文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：A new motor speed and rotor position observer based on the IMM algorithm is proposed， which is used for identifying parameter that the speed of vector control system of permanent magnet synchronous motor with speed sensorless. In order to undermine the jitter of sliding mode observer， Improved dynamic properties of model reference adaptive observer. The observer is based on the core concept of interactive multiple model algorithm， under the condition of Id=0 vector control system of double closedloop voltage magnet synchronous motor runs with the lack of direct speed measurements， by use the synovial membrane observer and modelling reference adaptive observer to evaluate instant rotational speed and rotor position of vector control system in parallel， calculate the two different values of SVPWM voltage import uα and uβ，then assign the weight to interactively output voltage values. Though analyzing and simulating results show that the proposed speed sensorless vector control system of permanent magnet motor speed identification method have stronger robustness and satisfactory dynamic and static performance.

Key words：Permanentmagnetsynchronousmotor； IMM；sensorless； Speedestimate

1引言

隨著工業(yè)控制、加工制造、航空航天等行業(yè)的迅速發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用越來越廣泛。而永磁同步電機(jī)因具有功率因數(shù)高、動態(tài)響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點逐漸成為了伺服控制系統(tǒng)中的主流電機(jī)[1-2]。如何提高控制系統(tǒng)的性能成為了各國專家學(xué)者研究的熱點。

目前適合永磁同步電機(jī)的最主要的無速度傳感器控制控制策略主要有卡爾曼濾波法[3]、滑模變結(jié)構(gòu)控制[4-6]、模型參考自適應(yīng)（MARS）法[7-10]、高頻注入法[11]。MARS法具有算法簡單、計算量小的優(yōu)點，但參考模型本身的參數(shù)準(zhǔn)確程度會直接影響速度辨識的精度，當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化或存在外界干擾時，MARS法就不再適用。滑模變結(jié)構(gòu)控制算法簡單、魯棒性強(qiáng)，但在變結(jié)構(gòu)控制中，由于慣性、滯后的因素的存在會產(chǎn)生抖振。

基此，本文提出一種融合滑模變結(jié)構(gòu)法和MARS法的新算法，以期進(jìn)一步提高速度識別精度和魯棒性并有效的減小滑模變結(jié)構(gòu)引起的抖動。實驗結(jié)果表明了本文方法的有效性。

2滑模觀測器

永磁同步電機(jī)在αβ坐標(biāo)系中的方程式為：

4基于IMM算法的電機(jī)轉(zhuǎn)速估計

交互式多模型算法（IMM）的基本算法流程如圖1所示：

顯然，交互式多模型算法的核心思想在于：觀測時，對跟蹤目標(biāo)的同一相關(guān)屬性采用多重算法進(jìn)行并行評估，得出不同觀測器下的不同觀測值。然后，采用加載不同的權(quán)值對其進(jìn)行概率交互，輸出較為理想的觀測值，以便系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)控制。

本文基于交互式多模型算法的核心思想，在永磁同步電機(jī)缺少霍爾傳感器等直接速度測量手段的情況下，觀測電機(jī)的三相輸入電壓和三相輸出電流值作為觀測器的輸入值，借助滑模算法觀測器（SMO）和模型參考自適應(yīng)算法觀測器（MARS）對電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)自位置兩個電機(jī)參數(shù)進(jìn)行并行估測，得出在不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置估測值。然后，通過兩組Id=0的雙閉環(huán)電壓矢量控制PI參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)，同時計算出兩組不同的空間矢量調(diào)制（SVPWM）輸入值uα1、uβ1、uα2、uβ2。最后進(jìn)行加權(quán)處理，得出較為理想的uα、uβ值。

傳統(tǒng)基于滑模觀測器的Id=0雙閉環(huán)電壓矢量控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)魯棒性能，響應(yīng)速度較快，但其速度適應(yīng)范圍差，且在電機(jī)速度穩(wěn)定后存在明顯的抖振現(xiàn)象；傳統(tǒng)基于模型參考自適應(yīng)算法的Id=0雙閉環(huán)電壓矢量控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的速度適應(yīng)能力強(qiáng)，魯棒性好，但其在電機(jī)低速與中低速階段魯棒性能有所下降。因此，為了保證系統(tǒng)的強(qiáng)魯棒性與速度適應(yīng)性，本文采用以模型自適應(yīng)算法觀測器為主導(dǎo)，兩者進(jìn)行權(quán)值交互并行估測。通過仿真和實驗得出電機(jī)轉(zhuǎn)速在400-600rad/s時，兩個模型交互概率設(shè)定為固定值0.9左右（即取模型參考自適應(yīng)觀測器預(yù)測結(jié)果的90%，取滑模觀測器預(yù)測結(jié)果的10%），系統(tǒng)具有良好的性能。

5實驗結(jié)果與分析

為了驗證所提方案的控制效果，對系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真研究。所建立的基于IMM算法的永磁同步電機(jī)無速度傳感器電壓矢量控制（Id=0）系統(tǒng)模型如圖3所示：

仿真電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓500 V；定子相電阻2.875 Ω；定子電感0.0085 H；電機(jī)極對數(shù)4；電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量0.008 kg·m2。仿真時間設(shè)定為0.5 s。為了檢驗該調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能與速度跟蹤性能，下面將分2步進(jìn)行對比實驗，值得說明的是因為在該系統(tǒng)中由滑模觀測器構(gòu)建的調(diào)節(jié)系統(tǒng)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)比自適應(yīng)觀測器調(diào)節(jié)系統(tǒng)、交互式多模型觀測器調(diào)節(jié)系統(tǒng)效果差很多，故不加入對比。

5.1仿真實驗1

分別設(shè)定400 rad/s、600 rad/s的恒定理想速度信號，并且在0.2 s給永磁同步電機(jī)加一個6 N·M的小負(fù)載，檢驗該系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)性能。MARS調(diào)速系統(tǒng)與IMM調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)實際輸出速度及實際輸出速度、理想輸出速度的相對誤差百分比對比如圖3，4，5，6所示：

由圖3，4可知：MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量為510 rad/s，而IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量為490 rad/s，相對于MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)而言，IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)減少約18.7%的超調(diào)量；穩(wěn)定時間縮短3 ms左右；靜態(tài)性能好；在加入小負(fù)載后IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)繼承了MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)秀擾動抑制能力。

由圖5，6可知：MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量為708.5 rad/s，而IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量為683.1 rad/s，相對于MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)而言，IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)減少約23.4%的超調(diào)量；穩(wěn)定時間縮短2 ms左右；靜態(tài)性能優(yōu)秀；在加入小負(fù)載后，IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)繼承了MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)秀擾動抑制能力的同時，進(jìn)一步減少超調(diào)量，并縮短穩(wěn)定時間。

5.2仿真實驗2

理想速度信號設(shè)定為100sin（100πt）+500 rad/s，以檢驗系統(tǒng)的速度跟蹤性能。MARS調(diào)速系統(tǒng)與IMM調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)實際輸出速度對比如圖7所示：

由圖7可知：MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量明顯比IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量大很多，而且相對于MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)而言，IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定時間明顯縮短；系統(tǒng)的速度跟蹤能力很強(qiáng)，沒有相位差。而且，對比MARS觀測調(diào)速系統(tǒng)而言，IMM觀測調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定時的靜態(tài)誤差較少，穩(wěn)定性能好。

6結(jié)論

本文提出一種基于交互式多模型觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的新方法。本策略基于交互式多模型算法的核心思想，在永磁同步電機(jī)Id=0的雙閉環(huán)電壓矢量控制系統(tǒng)運(yùn)行時缺省直接速度測量手段的情況下，用滑模觀測器（SMO）和模型參考自適應(yīng)觀測器（MARS）對電機(jī)的即時轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行并行估測，計算出兩組不同的SVPWM電壓輸入uα、uβ值，再賦予權(quán)值進(jìn)行交互輸出電壓值。本策略在電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電機(jī)參數(shù)等變化情況下的仿真研究表明：

1）系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能良好，速度辨識精度較高；

2）對電機(jī)理想速度變化及負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動具有較強(qiáng)的魯棒性；

3）算法較簡單，易于工程實現(xiàn)

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