苗敬利 张宇航 秦王毓
摘 要: 针对传统永磁同步电机无传感器控制系统观测精度不高和超调抖振频发等问题,提出一种基于超螺旋滑模算法的无传感器控制策略。用超螺旋函数构造超螺旋滑模观测器提高反电动势估算精度,同时,结合锁相环策略估算转子位置和速度信息,避免相位延迟和相位补偿过程中的误差。在此基础上,设计基于超螺旋算法转速滑模控制器,进一步抑制系统超调抖振。仿真结果表明,在电机空载启动、外加扰动等情况下,该策略能准确估算转子的位置和转速,同时降低超调抖振,提高系统抗扰动性。
关键词: 永磁同步电机; 超螺旋算法; 滑模观测器; 相位延迟; 相位补偿; 滑模控制器
中图分类号: TN876.3?34; TM341 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2020)17?0162?04
Abstract: In allusion to the low precision and frequent overshooting and chattering of the traditional sensorless control system for PMSM (permanent magnet synchronous motor), a sensorless control strategy based on STSM (super?twisting sliding mode) algorithm is proposed. The super?twisting function is used to design the STSMO (super?twisting sliding mode observer) to improve the estimation accuracy of the back electromotive force. Meanwhile, the PLL (phase?locked loop) strategy is used to estimate the rotor position and velocity information, so as to avoid the error in the processes of phase delay and phase compensation. On the basis of the above, rotate velocity sliding mode controller based on super?twisting algorithm is designed to suppress the system′s overshooting and chattering. The simulation results show that, the strategy can be used to estimate the rotor position and velocity accurately, reduce overshooting and chattering, and improve the anti?disturbance performance of the system under the conditions of motor′s no?load starting and adding external disturbance to motor.
Keywords: PMSM; super?twisting algorithm; sliding mode observer; phase delay; phase compensation; sliding mode controller
0 引 言
永磁同步电机(PMSM)以体积小、响应快、结构简单、运行可靠、功率密度高等特点,在工业制造、新能源汽车以及航天航空等领域中得到了广泛的使用[1]。无传感器控制技术可有效解决机械传感器带来的各种缺陷,对提高系统可靠性和环境适应性具有重要意义,已成为PMSM控制技术领域中的研究热点[2]。
无传感器控制策略根据适用范围通常分为两类:零低速范围的信号注入法[3]、中高速范围的滑模观测器法(SMO)[4]、模型自适应法[5]等。其中,滑模观测器法是一种易于实现、鲁棒性强的方法,但是其反电动势(EMF)信号中往往伴随着高频抖振,低通滤波器的使用导致存在相位延迟、相位补偿过程中计算量较大的问题。针对该问题,文献[6]引入分段式双曲正切函数作为切换函数和可变滑模增益来减弱系统高频抖振,但是增加了计算量,提升效果有限。文献[7]采用饱和函数代替符号函数实现抖振的抑制,结合磁场定向控制技术估算电机转速,但是存在一定的相位延迟,受转速初始位置影响较大。
本文以PMSM直接转矩控制(DTC)系统为研究对象,提出了一种基于超螺旋算法的无传感器控制策略。本文设计一种基于超螺旋算法的滑模观測器(STSMO),有效降低了EMF中的高频抖振信号,结合锁相环(PLL)技术,避免相位延迟和相位补偿过程中复杂的计算,提高转子位置和转速信息观测精度。在此基础上,设计基于超螺旋算法的滑模控制器(STSMC)取代转速环上的传统PI控制器,进一步抑制系统抖振和超调,提高了系统控制性能。最后通过仿真验证该策略的有效性和优越性。
1 STSM控制理论
超螺旋滑模(STSM)算法源自于高阶滑模控制理论[8],能有效抑制滑模抖振,鲁棒性强。文献[9]给出了STSM算法稳定性和收敛性的证明。
2 基于改进PLL的STSMO设计
2.1 PMSM数学模型
选用表贴式三相PMSM,数学模型可表示为:
2.2 STSMO设计
由式(4)可得电流状态方程:
2.3 PLL策略应用
传统反正切估计方法会放大EMF中干扰信息,而且计算量较大,相位补偿精确度也难以保障,因此,采用PLL策略[10]提取转子的位置信息。在此基础上,加入归一化处理环节,如图1所示,可有效优化系统参数,提高转子跟踪速度。
3 STSMC设计
为了进一步减少系统的抖振和超调,提高抗扰动性,设计STSMC取代传统PI控制器。控制器输入为转速误差,输出为给定转矩。
4 仿真及结果分析
为了验证STSMO和STSMC的性能,通过Matlab/Simulink建立表贴式PMSM直接转矩控制系统仿真模型,如图2所示。
分别对文献[7]中传统SMO和STSMO、PI控制器和STSMC进行仿真对比分析,验证本文策略的有效性。PMSM主要参数如表1所示。STSMO中参数[KP=2 000],[KI=100];PLL中参数[kp=10],[ki=135];STSMC中参数[Kp=1 500],[Ki=500]。
4.1 STSMO性能验证
PMSM以给定转速1 000 r/min空载启动,0.08 s后加载3 N·m,图3和图4分别给出了转速和转子位置角的动态响应。
由图3可知,空载启动下传统SMO转速观测值存在较大的脉振,突加负载后抖振超调较为明显,转速跟踪性能不佳,而STSMO转速观测值脉振幅度大幅减小,几乎没有抖振超调,能迅速到达稳定状态,受负载扰动影响小,转速跟踪性能好。
由图4可知:传统SMO转子位置跟踪存在明显的延迟,观测精度不高;而STSMO能够实现对转子位置的准确跟踪,具有较高的观测精度。
4.2 STSMC性能验证
在STSMO的基础上,PMSM以给定转速600 r/min,带载1 N·m启动,0.05 s时转速增加到1 000 r/min,0.07 s时负载突变为3 N·m,0.1 s时转速下降到1 000 r/min,0.12 s后负载突变为5 N·m。图5,图6分别给出对应转速和转矩的响应。
由图5可知,PI控制器在启动和转速突变时转速存在明显的超调和抖振,负载发生变化时,转速波动明显,而STSMC能实现转速迅速无超调达到给定值,而且受负载扰动影响很小,平衡状态下波动范围小,转速跟踪效果好。
由图6可知:PI控制器响应速度较慢,有明显的超调抖振,转矩稳态波动范围较大;而STSMC能显著提高响应速度,同时降低转矩超调,平衡状态下转矩波动范围较小,稳定性能好。
5 结 语
本文将超螺旋算法理论和滑模控制思想相结合,提出一种基于超螺旋滑模算法的PMSM无传感器控制策略。在传统SMO基础上引入STSM算法,设计STSMO提高EMF观测精度,避免了低通滤波器造成的相位延迟和幅值衰减,通过PLL技术快速准确地估算出转速和转子位置,避免了相位补偿过程中的复杂计算。在此基础上,设计STSMC取代转速环节的PI控制器,进一步削弱了系统的超调和抖振,提高了响应速度和抗扰动能力。仿真结果验证了该策略的可行性与优越性,具有一定的实用意义。
注:本文通讯作者为张宇航。
参考文献
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