PMSM无位置传感器控制技术研究

张舒

（1．河海大学，江苏 南京 211100；2．江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211170）

电气传动系统的智能化、数字化，使得性能优越的永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）逐渐被广泛应用到新能源汽车、电力推进船舶、电力飞机及家电系统的电气传动系统中[1]。因此，研究PMSM高性能控制策略对于科技的进步和各领域的发展具有重要意义和深远影响。

闭环是实现电机精确控制的必要条件，传统的机械式位置传感器在使用时有增加成本、精度受影响等诸多限制，因此无位置传感器控制技术应运而生[2]。无位置传感器控制技术主要分为两大类：基于电机基波模型的中高速转子位置估计和基于电机凸极特性的零低速转子位置估计[3]。其中，滑模观测器（Sliding Mode Observer，SMO）具有鲁棒性好、控制算法简单、易于工程实现等优点，广泛应用于PMSM中高速转速估计中[4]。

除了控制策略的研究，硬件控制电路的搭建也是验证控制算法的重要部分。本文在Altium Designer软件中对硬件控制电路进行设计，完成并进行调试，然后利用DSP28335对基于改进滑模观测器的无位置传感器控制系统进行软件设计。

1 改进滑模观测器的原理

2 基于SMO的PMSM无位置传感器控制系统设计

2．1 硬件设计

PMSM控制系统的硬件结构如图1所示。由图可知，PMSM控制系统主要包括永磁同步电机、主电路以及DSP控制电路三部分。其中，为了将转速和转子位置的实际值和估计值进行对比分析，还需要转速检测电路。

图1 PMSM控制系统硬件结构

在本系统中，逆变电路的功率开关管选择型号为FGA25N120ANTD的IGBT。该IGBT内部为反并联二极管，工作参数符合控制需要。结合电机参数，用于稳压的滤波电容选取2700μF、额定电压为450V[6]。隔离电路采用高速光耦6N137，其开关速度可达10MHz，可用于对实时性和隔离要求很高的电机控制领域[7]。

因此，在本控制系统台中仅需要2片2ED020I12-FI即可驱动一相的逆变电路。其中，芯片电压可在[13V，18V]范围内变化，当电压低于11V时，该芯片可自行启动欠压保护。此外，芯片内部还引入了无核心变压器CLT以保证上下桥臂之间能产生电气隔离[8]。

本系统选用CHV-25P／100电压传感器检测直流母线电压，额定电压100V；可测电压范围为0～±150V；在常温 25℃时，检测精度为±1%，可达到本系统电压检测要求[9]。但 CHV-25P／100 输出为模拟信号，而DSP处理的是数字信号，故需要对检测到的信号进行A／D转换。DSP28335芯片内部中包括A／D转换模块，模拟输入为0～3V，而CHV-25P／100 输出电压为 0～5V，因此还需要调理电路来保证模／数转换的顺利进行[10]。

2．2 软件设计

硬件电路设计完成后，需要进行软件设计，调试成功后才能进行后续控制策略的验证。针对主程序部分，用模块ePWM1配置主程序基准时间，产生双边PWM，频率设为10kHz，电流采样周期设为100μs，控制器周期设为 100μs。通过TMS320F28335芯片中的eQEP模块，获得转子位置以及转速[11]。

中断服务程序主要用于PMSM的电流控制及转子位置估计。中断响应以后，DSP首先对直流母线电压、三相电流以及给定转速进行AD采样，并进行转子位置和转子转速估算。通过模块eQEP计算实际转子位置及转速，再与估计的转子位置进行比较分析。其中，输入信号为正弦波信号发生器产生的给定电流和计算出来的实际电流，二者经过电流控制器，即可得到控制功率开关管通断的控制信号。

3 实验结果分析

在完成上述软硬件设计后，后续还需要进行矢量控制、无位置传感器控制等各种控制策略的验证。

编码器的输出信号如图2所示，对比图2（a）和图2（b）可知，经过调理电路后信号电压为DSP所能接收的3．3V信号，且信号噪声明显减小。此外，经过调理电路之后得到的脉冲信号相位互差90°，可通过对它们的上下脉冲沿进行计数，即实现对编码器的四倍频，达到最终控制效果。

图2 编码器的输出信号

逆变电路上下桥臂的开关信号波形如图3所示。图3为A相上下桥臂的PWM波，可看出上下桥臂互补，且为了防止上下桥臂直通，还插入了死区时间。

图3 逆变电路上下桥臂的开关信号

4 结论

本文主要介绍了基于改进滑模观测器的PMSM无位置传感器控制系统的软硬件设计。分别对主电路及控制电路等进行了详细设计和说明。在此基础上在CCS集成开发环境中进行了电机实验台的初步软件调试，具有良好的控制效果，为后续进行各种控制策略的比较验证奠定了基础。