基于自适应模糊滑模的PMSM无速度传感控制研究

刘芳璇,崔 晶 ,李益民,王桂荣

（1. 西安铁路职业技术学院 牵引动力系, 陕西 西安 710014；2. 中国计量学院 机电工程学院,浙江 杭州 310018）

基于自适应模糊滑模的PMSM无速度传感控制研究

刘芳璇1,崔 晶1,李益民1,王桂荣2

（1. 西安铁路职业技术学院 牵引动力系, 陕西 西安 710014；2. 中国计量学院 机电工程学院,浙江 杭州 310018）

为研究永磁同步电机（PMSM）在无速度传感器工况下的速度跟踪估计，以PMSM的工作原理为基础，建立了内埋式PMSM的数学模型。利用自适应模糊微分积分滑模鲁棒性强的优点，提出了在自适应模糊微分积分滑模控制条件下采用旋转高频电压注入法对电机转速估计的无速度传感器控制方案，并分析了电机在高低速运行时特点。仿真结果表明，采用高频注入法的自适应模糊微分积分滑模控制系统在高、低速工况下运行时稳定可靠，并具有较好的鲁棒性，能够实现速度跟踪估计。

永磁同步电机；自适应模糊微分积分滑模控制；旋转高频电压注入法；转速估计；无速度传感器

在现代交流传动系统中，为实现高精度，高动态性能的速度和位置控制，一般都需用传感器测量转子的位置和速度。传统的机械式传感器存在着安装，连接和故障等问题，大幅降低系统的可靠性及鲁棒性，尤其是在高速、高精度控制中，更有结构、价格等因素制约了其适用范围。而永磁同步电机(PMSM)的无速度传感器控制，不仅有效避免了采用机械式传感器所带来的缺陷，减少了电机的体积和成本，而且能够准确估计其转子的速度和位置。在众多型号的PMSM中，内埋式PMSM因其功率因数高、功率密度高以及过载能力强而应用广泛，其无速度传感器矢量控制技术已成为研究的热点[1-3]。目前已经提出了很多估计其转速的方法，如文献[4]提出的卡尔曼滤波器法，文献[5-6]述及的模型参考自适应法，以上两种估算方法较为复杂，其结构调节和参数设计均比较困难。而旋转高频电压注入法主要应用于凸极率较大的内埋式PMSM的转子位置检测。虽然自检测系统较为复杂，提取转子位置信息的算法对系统性能影响较大，电机须具有较高的凸极率作为外部条件，但从现实角度来讲，采用高频电压注入法的转子位置检测系统自成一体，易于调试和实现，并兼具良好的抗干扰性和稳定性。因而，旋转高频电压注入法被广泛应用于无传感器的PMSM矢量控制中[7]。

PMSM矢量控制系统的速度闭环通常采用常规PI控制器，其抗干扰性和抗参数摄动能力不够理想，难以获得满意的动态性能，而滑模控制器具有抗扰动能力强，以及鲁棒性好等特点[8-9]。因此，本文设计了一种自适应模糊微分积分滑模控制器，将其作为速度闭环的控制器，同时基于旋转高频电压注入法的无速度传感技术对PMSM进行矢量控制。仿真结果表明系统响应快速，无超调，抗负载扰动性能佳，鲁棒性强。

1 自适应模糊微分积分滑模控制器设计

PMSM在d-q坐标系下的数学模型如下：

1 )定子电压方程：

2 )定子磁链方程：

对于内埋式PMSM，有 Ld≠Lq。

3 )电磁转矩方程为：

将式(2)代得：

4 )力矩平衡方程:

选取积分滑模面为：

根据到达滑模面的广义条件设计自适应微分积分控制器及控制律分别如式（8）、式（9）所示：

定义Lyapunov函数为：

对控制变量u设计模糊控制器，得：

2 仿真结果及分析

对内埋式PMSM无速度传感器控制系统采用旋转高频电压注入法结合自适应模糊微分积分滑模控制器进行仿真研究。无速度传感器控制系统结构如图1所示。采用id=0矢量控制法，逆变器输出电压采用SVPWM调制技术，所选内埋式PMSM参数见表1。选择逆变器开关频率为10kHz，采样频率为20 kHz，高频电压频率为1 kHz，幅值为基波幅值的0.1倍。低通滤波器的通带和阻带截止频率分别设定为1 Hz和10 Hz；带通滤波器的通带上、下限截止频率分别为1100 Hz和900 Hz；带阻滤波器的通带上、下限截止频率分别为1 980 Hz和 1 020 Hz。

图1 无速度传感器PMSM AFDI-SMC系统结构图Fig.1 System of speed sensor-less AFDI-SMC

表1 PMSM参数表Tab1. Parameters of embedded PMSM

图3为PMSM低速负载运行时的响应特性。如图3(a)所示，给定转速为50 r/min，启动转矩为0 N·m，在0.3 s时突加1 N·m的负载，并在0.5 s时突卸该负载。转速估计曲线在0.08 s时出现超调，后经大约0.07 s恢复稳定。图3(b)为PMSM低速负载运行时电角度估计图。可知，PMSM低速运行时加、卸载性能佳，鲁棒性强。

图2 PMSM高速负载运行响应特性Fig.2 Estimated loaded response at high speed

图3 PMSM低速负载运行响应特性Fig.3 Estimated loaded response at low speed

3 结束语

文中设计了自适应模糊微分积分速度闭环滑模控制器，并采用基于旋转高频电压注入法的无速度传感器技术对PMSM进行矢量控制。由仿真结果知，PMSM滑模控制系统稳定可靠，转子响应快速，具有良好的动态特性。自适应模糊微分积分滑模控制器对系统内部参数摄动、外部干扰等具有良好的自适应性，不仅能够保证PMSM调速系统的动态性能，还可有效改善其鲁棒性和抗干扰性能。

[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, 赵荣祥, 窦汝振. 基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制研究[J]. 中国电机工程学报, 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]刘英培, 万健如, 梁鹏飞. 基于扩展卡尔曼滤波器和空间电压矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制[J]. 中国电机工程学报, 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] 王庆龙，张崇巍，张兴. 基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识[J]. 中国电机工程学报, 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]赵信杰, 李锐华, 胡波, 等. 无速度传感器的永磁同步电机滑模控制[J]. 电机与控制应用, 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, 贺益康, 刘毅, 等. 两种高频信号注入法的无传感器运行研究[J]. 中国电机工程学报, 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. 永磁同步电机调速系统的滑模控制[J]. 电工技术学报, 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 ‘an 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 稿件编号：201404150

国家自然科学基金资助项目（61203113）

刘芳璇(1988 —)，男，陕西西安人，硕士，助教。研究方向：电/液/气伺服系统及其驱动技术、群智能算法等。