IPMSM宽速域范围无位置传感器高性能控制

IPMSM宽速域范围无位置传感器高性能控制

汪兆栋;小琴;游林儒;曾文涛

【摘要】考虑到内置式永磁同步电机（IPMSM）滑模观测器易受 d、q 轴电感差异的影响，提出了一种 IPMSM的 Lq 模型，并构造了 IPMSM在 Lq 模型下的合

成反电动势，设计了基于合成反电动势的滑模状态观测器，同时采用两级滤波器串联的方式来提取反电动势信息，并采用变截止频率调节的方法实现恒相位补偿，采用锁相环技术实现系统的高速运行。然后在电机起动时采用相应的控制方法以满足不同的应用要求，并在低、中速切换时采用了一种新的切换策略以实现系统的平稳切换。在一台 IPMSM上的实验结果表明，文中提出的滑模无位置传感器控制算法、起动控制选择及主动切换策略能实现 IPMSM在宽速阈范围内的无位置传感器高性能控制，从而验证文中所提控制算法的有效性。%As the sliding mode observer of the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM)is easily af-fected by the d/q-axis inductance difference,this paper proposes an Lq model of IPMSM,constructs a synthetic back EMF of IPMSM under the Lq model,and designs a sliding mode state observer based on the synthetic back EMF.Meanwhile,the back EMF information is extracted through the two-stage filter method,the constant phase compensation is realized by means of the variable cutoff frequency method,and the high-speed running of system is achieved by using a phase locked loop

technique.Then,corresponding control strategies are adopted to meet vari-ous requirements for actual applications when the motor starts.Moreover,a new switching strategy is presented for realizing smoothly and steady switching of system at low-to-medium speed switching.Experimental

results on an IPMSMindicate that the proposed sliding-mode sensorless control algorithm,the starting control selection and the initiative switching strategy can realize the sensorless high-performance control of IPMSM within a wide speed range.Thus,the effectiveness of the proposed control algorithm is verified.

【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2015(000)009

【总页数】7页(P1-7)

【关键词】滑模控制;无传感器控制;锁相环;切换策略;内置式永磁同步电机

【作者】汪兆栋;小琴;游林儒;曾文涛

【作者单位】华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州 510640;华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州 510640;华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州 510640;华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州510640

【正文语种】中文

【中图分类】TP273+.3;TM351

近年来,无传感器技术已成为电机控制领域的一个研究热点.现有的永磁同步电机(PMSM)无传感器控制算法大体可以分为两大类:①基于永磁电机电磁关系的位置估计方法[1-2],如扩展反电动势法、观测器法、卡尔曼滤波器等[3-5];②基于永磁电机凸极效应的位置估计方法,如高频注入法等[6].然而,这两类方法的优缺点都比较明显,如第①类方法比较容易实现,可靠性高,但在低速情况下信号容易受到干扰,估计

精度下降,在零速下甚至无法使用;而第②类方法在低速段具有较好的控制效果,能够实现零速状态下的转子位置估计,但需要施加额外的检测信号,且滤波效果对电机参数、运行频率和负载比较敏感,从而增加了实施难度.因此,将这两类方法结合起来是实现PMSM宽速域无位置传感器高性能控制的有效途径.文献[7-12]将上述两种方法结合起来,即高速时采用第①类方法而低速时采用第②类方法来实现转子位置/速度的精确检测,取得了不错的控制效果.

针对滑模观测器的研究以往都是基于SPMSM而不是IPMSM,忽略了d、q轴的电感差异[2,13-14].文献[13]提出了一种扩展反电动势滑模观测模型,考虑了d、q轴电感Ld与Lq的差异对模型的影响,但其观测模型中含有速度信息,速度估计的准确性与Ld的变化(饱和特性引起)都会影响观测器的准确性;文献[14]在两相静止坐标系下建立了完整的IPMSM滑模变结构模型;文献[15]提出了一种改进的IPMSM滑模观测器模型,该模型只考虑了q轴电感的影响.

考虑到IPMSM滑模观测器易受d、q轴电感差异的影响,文中以IPMSM的Lq模型为基础,提出了一种基于合成反电动势的滑模状态观测器,同时采用两级滤波器来提取反电动势信息,并采用变截止频率调节的方法来实现恒相位补偿,最后采用锁相环技术来扩展系统的速度范围,从而实现IPMSM宽速阈范围无位置传感器的高性能控制.此外,由于滑模观测器在低速(尤其是超低速)时观测效果较差,通常会采用高频电压注入法来实现低速高性能控制,而在实际应用中,并非所有的应用场合都需要很高的低速控制性能,很多应用场合对低速时要求并不高,只需能快速起动即可.因此,文中针对不同的应用场合,在起动时选择不同的控制方法,并在低、中速切换时采用一种新的切换策略来实现无冲击切换.

IPMSM在d、q轴旋转坐标系下的电压方程为

式中，Ud、Uq、id、iq分别为定子电压/电流在d、q轴上的分量，Rs为定子电阻，ψf为转子磁链，ωe为旋转速度，p为微分算子.