永磁同步电机无传感器矢量控制系统设计.pdf

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1、应用技术*永磁同步电机无传感器矢量控制系统设计123,42张云亮张兆旭曹永军赵玫（1.威海广泰空港设备股份有限公司2.鲁东大学信息与电气工程学院3.广东省自动化研究所广东省现代控制技术重点实验室4.华南智能机器人创新研究院）摘要：永磁同步电机是一个强耦合的多变量系统。设计一个永磁同步电机无传感器矢量控制系统，首先，通过坐标变换将定子电流解耦，构建电流PI调节器进行电流闭环控制，并采用矢量脉宽调制技术对电机进行调速；其次，采用转子磁场定向控制策略，利用滑模观测器对转子位置进行估算，并计算出电机转速，设计转速PI调节器，进而形成双闭环控制系统；最后，通过实验分析

2、，该系统运行比较稳定，且具有良好的转速响应，成功实现了矢量控制策略。关键词：永磁同步电机；矢量控制；滑模观测器；转子磁场定向控制；空间矢量脉宽调制0绪论120°，定义3个定子电流空间矢量：j02jπ/3j4π/3iIe，iIe，iIe(1)随着永磁材料、电力电子技术以及数字信号处理ABC[3]器的发展，永磁同步电机逐渐广泛应用于各个工业领按照空间矢量合成不变的原则，经过Clarke变[1]换可得域。交流电机与直流电机控制方式不同，交流电机励磁电流分量与转矩电流分量存在耦合，矢量控制[2]111iAi222（也称为磁场定向控制）的

3、目标就是对交流电机进行i(2)i333B解耦控制，其基本思想是，通过矢量变换使交流电机0iC[3]22控制方式类似于直流电机的控制方式，并拥有与直流电机控制系统相同的优点。当定子绕组通入三相对称电流时，利用iii0可以改写为随着无传感技术的发展，其在电机控制系统中的ABC应用越来越广泛。结合滑模变结构控制，本文利用反10i2iA电势对转子位置进行估算，不仅可以降低控制系统的3(3)i33iB开发成本，还提高了电机控制系统在恶劣环境下的稳2定性。经过Park变换，可

4、得1坐标变换与空间矢量idcosddsini(4)iqsinddcosi本文通过Clarke变换将三相定子电流ABC轴系转化为两相正交静止坐标系（αβ轴系）；通过Park本文矢量控制采用转子磁场定向的控制策略，将变换将αβ轴系转化为两相正交旋转坐标系（dq轴系），直轴（d轴）建立在转子磁通位置处，交轴（q轴）使三相定子电流分解为转子励磁电流分量和转矩电就落在了与转子磁通夹角为90°的位置处。将实际电机的转子磁链矢量作为dq轴系坐标的d轴，则i在d流分量，实现解耦。进而采取控制策略分别对两电流s分量进行控制，达

5、到了矢量控制策略的目标。轴上的分量就是励磁分量，在q轴上的分量就是转矩永磁同步电机（permanentmagnetsynchronous分量。通过上述分析，只要能够实时检测转子磁通的[4]motor，PMSM）的三相定子ABC轴系在空间上相差位置即可实现转子磁场定向控制。*基金项目：国家自然科学基金资助项目（51407088）；中国2016年第37卷第3期自动化与信息工程7博士后科学基金（2016M592242）；广东省科技计划项目(2015B010917001)、（2016B090912005）、（2015B090922008）；广州市科技计划项目（2016

6、07010313）。ChaoXing直轴电流分量置零控制也称为i0控制[5]。由[5]dS(x)称为切换函数。切换面将空间分为S(x)>0和于PMSM的转子为永磁体，无需转子励磁电流分量，S(x)<0两部分。通过设置切换函数，可将状态轨线稳因此可在控制系统中设计d轴电流调节器，保证定在切换线上，并向原点滑动。id0，使定子电流的转子励磁分量为零，同时转矩由于受到控制系统时间滞后和系统延迟等因素[6]分量与定子电流矢量相位一致且幅值大小成正比，此的影响，系统会在滑模面上出现抖动现象。为削弱时的PMSM等效为一个他励直流电机。这种现象，引入饱和函数控制，在滑模

7、控制的基础上当电机的转速较快时，感应电势相对于定子电阻引入一个边界层，如图2所示。当运动轨迹在该邻域压降较大，因此可以忽略定子电阻压降，由此可得电之外时，采用的是滑模切换控制，否则采用连续控制，压近似方程这样在一定程度上能够削弱抖动现象。dS(x)=0us(5)sS()x0dtS()x0将式(5)进行欧拉变换可得到jS()x0e(6)ssS()x0其中，t；为磁链矢量的初始相位；s为磁链矢量的幅值。将式(6)代入式(5)可得图2滑动模态运动简图j()πue2(7)利用采样电路对交流电机定子侧的相电压

8、进行ss由式(7)可以得出，us的方向