基于数字信号处理器的特种电机无传感器控制技术

崔红

【摘 要】本文针对特种电机中的高速电机控制系统采用了基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制策略以解决高速电机传统直接转矩带来的问题，研究了高速电机无传感器的速度估算方法。建立了基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制系统的仿真模型，验证了该控制方法的可行性。

【关键词】高速电机；滑膜控制；无传感器；直接转矩控制

中图分类号： TM310 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）26-0045-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.018

0 引言

高速电机具有体积小、输出功率大等特点，非常适合在高速铣床、压缩机、水泵等系统中应用。对于高速电机驱动系统，由于在电机转轴上安装复杂的传感器比较困难，所以采用无传感器控制方式非常必要[1]。为了解决传统直接转矩带来的转矩脉动大、开关频率变化等问题[1]，本文提出了一种结构简单、动态响应快的基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制方式。

1 高速电机基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制

1.1 滑模控制器设计方法

高速电机基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制系统结构图如图1所示。电磁转矩和定子磁链受滑膜控制器的控制，其输出信号用于产生逆变器的控制信号以确保输出的电磁转矩和定子磁链能很好地跟踪给定值。

结构图

高速电机的状态方程可以通过静止坐标系α-β参考模型来建立。在基于滑膜控制的直接转矩控制中，转子位置信息包含在状态方程中，不需要位置环就可以获得精确的转子位置信息，进而确保高速电机能够可靠启動。

在本文的研究中把电磁转矩和定子磁链给定值与检测值的差值作为切换函数S，如式（1）：

切换函数的选择原则是当切换函数等于0时，使滑模运动方式稳定。采用指数趋近律能够使系统在启动时快速运行到切换面，而当滑模快接近切换面时速度减慢，进而避免电磁转矩和定子磁链产生较大的波动。

指数趋近律为：

式中J、K均为大于0的常数。将式（6）代入式（2），可得式（7）所示的控制律矩阵U：

静止坐标系α-β参考模型中的电压矢量 可以计算出来，用于空间矢量的调制，能够使开关频率恒定。

1.2 转子速度的估算

当高速电机稳态运行时，定子磁场和转子磁场的旋转速度相同[3]。转子速度可以通过速度估算得到。

（8）

式中Rs为定子电阻值，ωr为转子的速度，ωs为电机定子磁场的速度。

2 系统仿真及结论

本文以PN=15kW，UN=380V，nN=20000r/min，p=1，定子电阻Rs=0.02，Ld=Lq=4mH的高速电机为被控对象，对上述提出的基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制策略进行了仿真研究。仿真结果如图2-图5所示。

控制方式下的电磁转矩及转速曲线

从图中的仿真结果可以看出，与传统直接转矩控制相比，高速电机基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制方式的定子磁链和转矩脉动更小，动态响应和传统直接转矩控制一样快。本文提出的基于滑膜控制的无传感器直接转矩控制方式能够实现高速电机的无传感器变速控制。电机的转子位置和速度可以通过电机电压和电流值估算出来。无传感器控制策略特别适合于高速电机驱动系统。

【参考文献】

[1]贾洪平，周华伟，刘国海.PMSM变结构直接转矩控制无传感器运行[J].电工技术学报，2007，22（10）：24-29.

[2]Zhong L，Rahman M F，Hu W Y and Lim K W.Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives[C].IEEE Transactions on Power Electronics，1997，3：528-536.

[3]R.Wu，G.R.Slemon.A permanent magnet motor drive without a shaft sensor[C].IEEE Trans.Ind.Applicat.，1991，2（5）：1005-1011.