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基于電流觀測器的PMSM反推終端滑??刂?/h1>
2018-07-03 03:17徐小明趙清江
微特電機 2018年6期
關(guān)鍵詞:反推相電流觀測器

徐小明,趙清江

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,新鄉(xiāng) 453006)

0 引 言

永磁同步電機(以下簡稱PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、轉(zhuǎn)動慣量較小、過載能力強等優(yōu)勢,現(xiàn)如今已被大量運用于新能源汽車、高速鐵路、機器人等許多工程領(lǐng)域。常規(guī)的PID調(diào)節(jié)方式已經(jīng)不能達到高性能的控制需求,于是,對于交流永磁同步電機控制方法的研究具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

傳統(tǒng)的PMSM控制系統(tǒng)往往需要至少兩相交流電流傳感器來檢測電流信號,這種獲取電流的方式會額外增加電機的設(shè)計成本及電機本體體積,當(dāng)其中一個電流傳感器產(chǎn)生故障或失效時,所獲取的電流信息將會帶來系統(tǒng)控制的誤差。這將嚴重影響PMSM 在精度和可靠性要求較高的場合中的應(yīng)用。文獻[2-4]中已經(jīng)探索了利用單個電流傳感器獲取和重構(gòu)相電流信息的技術(shù)。因此,本文考慮僅在單相電流傳感器可用的情況下,設(shè)計了基于單相電流傳感器的PMSM調(diào)速系統(tǒng)。

文獻[5]提出了一種采用空間矢量調(diào)制控制技術(shù)(以下簡稱SVPWM)的三相直接矩陣變換器(以下簡稱DMC)驅(qū)動系統(tǒng)中,單電流傳感器交流電機電流重構(gòu)的方法。該算法將零矢量應(yīng)用時間分為2個區(qū)間,并利用單霍爾電流傳感器在DMC中來測量相電流。通過對三相異步電動機的仿真,驗證了該系統(tǒng)的有效性。但是該方法對電力電子元件的性能提出了考驗。

文獻[6]針對三相電壓型逆變器PMSM調(diào)速系統(tǒng),提出了一種簡單的單電流重構(gòu)方法,研究了一種具有開關(guān)狀態(tài)調(diào)整方案的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)。該方法采用單電流傳感器和嵌入式微系統(tǒng)構(gòu)成三相永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng),完成了硬件實現(xiàn),未對控速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進行研究。本文將在單電流傳感器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,進一步分析與研究控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性。

本文研究了一種基于單電流傳感器的PMSM反推終端滑模控制。針對只有一相電流傳感器的PMSM控制系統(tǒng),設(shè)計自適應(yīng)觀測器實現(xiàn)對另外兩相電流和時變定子電阻的準確估計。將反推控制與終端滑??刂七M行結(jié)合,研究了一種基于終端滑模負載觀測器的反推控制方法,有效地提高系統(tǒng)的收斂速度,增強系統(tǒng)的魯棒性。利用李雅普諾夫理論證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真及實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

以表貼式PMSM為控制對象,假定永磁體無阻尼作用且空間磁場分布為正弦分布,不計渦流與磁滯的損耗的情況下,PMSM在d,q坐標系和α,β坐標系下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型[7-10]:

(1)

(2)

PMSM機械運動方程:

(3)

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

(4)

式中:ud,uq分別為d,q軸的電壓分量;id,iq分別為d,q軸的電流分量;uα,uβ分別為α,β軸的電壓分量;iα,iβ分別為α,β軸的電流分量;L為定子電感;R為電機定子繞組的電阻;ω為電機的電角速度;ψf為永磁體與定子交鏈磁鏈;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;TL為負載轉(zhuǎn)矩;B為粘滯系數(shù);p為極對數(shù)。

2 自適應(yīng)電流觀測器設(shè)計

假設(shè)在PMSM調(diào)速系統(tǒng)中,可用的電流傳感器為b相時,根據(jù)式(2)α,β坐標系下電流方程,經(jīng)過Clarke變換可得:

(5)

對式(5)求導(dǎo)可得:

(6)

將式(2)代入式(6)可得:

(7)

設(shè)計b相自適應(yīng)電流觀測器:

(8)

定義誤差變量:

(9)

將式(8)和式(7)作差,可得:

(10)

設(shè)計定子電阻自適應(yīng)律,構(gòu)造Lyapunov函數(shù):

(11)

式中:r>0。

將(11)求導(dǎo)可得:

(12)

假設(shè)式(13)成立:

(13)

這樣,式(12)可改寫:

(14)

由于,在自適應(yīng)觀測器的采樣時間內(nèi),定子電阻的變化基本可以忽略,所以有:

(15)

這樣可以得出:

(16)

因此,由式(13)可得自適應(yīng)定子電阻方程式:

(17)

因此,定子電阻的估計值就可以有效地趨近于實際值。

為了提高定子電阻的估計精度,確保零穩(wěn)態(tài)誤差,采用PI控制策略進行如下調(diào)整:

(18)

式中:Kp,KI分別為比例積分常數(shù)。

將定子電阻估計值代入式(2),則自適應(yīng)觀測器的最終表達式:

(19)

結(jié)合式(7)、式(18)和式(19)可以得到設(shè)計的自適應(yīng)觀測器。

3 反推終端滑模控制器的設(shè)計

為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能,結(jié)合反推控制與終端滑模控制各自的優(yōu)勢,設(shè)計基于終端滑模負載觀測器的反推終端滑??刂破鱗11-14]。

由式(3)、式(4)可得:

(20)

可以得到轉(zhuǎn)矩觀測器的狀態(tài)空間表達式:

(21)

(22)

式中:β>0,1

為有效地抑制滑模存在的抖振現(xiàn)象,保證非奇異性,采用一種帶終端吸收引子的趨近方式設(shè)計趨近律:

(23)

式中:φ1<0,φ2<0,0<γ<1。

(24)

(25)

構(gòu)造Lyapunov函數(shù):

(26)

將其微分可得:

(27)

(28)

式中:r2>0。

結(jié)合式(28)和式(27),則:

(29)

定義電流的跟蹤誤差:

(30)

其微分方程:

(31)

選取式(22)為滑模面,設(shè)計反推終端滑模速度控制器:

構(gòu)造PMSM調(diào)速系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù):

(33)

將式(33)微分可得:

(34)

結(jié)合式(30)、式(31)可得:

(36)

式中:rd>0,rq>0。

4 仿真及實驗驗證

為了檢驗本文的控制策略的有效性,通過MATLAB/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型,控制系統(tǒng)仿真及實驗電機的主要參數(shù)如表1所示,PMSM調(diào)速系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

表1 PMSM驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖1 PMSM調(diào)速系統(tǒng)的控制框圖

圖2為本文算法與傳統(tǒng)PI滑??刂茖Ρ鹊霓D(zhuǎn)速空載響應(yīng)曲線。系統(tǒng)初始給定轉(zhuǎn)速為150 r/min,從圖2可看出,采用本文算法的PMSM調(diào)速系統(tǒng),起動平穩(wěn)無超調(diào),到達穩(wěn)態(tài)的時間更短。

圖2 空載響應(yīng)曲線

圖3為系統(tǒng)受到負載擾動時2種控制方法對比曲線。系統(tǒng)在0.2 s時加載2 N·m,在0.3 s時卸載。從圖中可明顯看出,本文控制方法在加載時魯棒性更強。

圖3 擾動時轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

為了進一步驗證本文算法的正確性,搭建PMSM矢量控制系統(tǒng)實驗平臺,實驗是建立在TMS320F2812實時控制系統(tǒng)中進行,實驗結(jié)果達到預(yù)期效果。

圖4是實測的轉(zhuǎn)子位置曲線。說明本文所采用的估控制方法控制精度高,控制系統(tǒng)性能較好。

圖4 實測轉(zhuǎn)子位置

圖5為電機空載起動時穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)b相電流波形。從圖5可看出,在電機達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時,定子電流穩(wěn)定且正弦度較好。電機轉(zhuǎn)速能夠在有限時間內(nèi)平穩(wěn)到達給定轉(zhuǎn)速。

圖5 升速時轉(zhuǎn)速和相電流波形

5 結(jié) 語

本文在單電流傳感器的PMSM調(diào)速系統(tǒng)基礎(chǔ)上,設(shè)計自適應(yīng)觀測器實現(xiàn)對另外兩相電流和時變定子電阻的準確估計。將反推控制與終端滑??刂七M行結(jié)合,研究了一種基于終端滑模負載觀測器的反推控制方法。仿真及實驗結(jié)果驗證了本文的控制策略能夠有效地提高系統(tǒng)的收斂速度,增強系統(tǒng)的魯棒性。

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