永磁同步电机无传感器矢量控制技术研究

王 金，姜如霞

（江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013）

0 引 言

相对于普通交流变频电机，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有效率高、能量密度高、转矩惯量比大的特点以及环保低碳的优势[1]。同时，永磁同步电机克服了绕线同步电机需要励磁绕组、换向器、滑环而带来的限制，具有良好的低速性能。但是，相比于异步电机，PMSM在控制时存在失步问题，因此需要通过转子位置检测或速度检测装置来获得准确的转子位置。当不存在转子速度传感器时，则需要通过其他容易测得的电机非转速信号，如电机参数、定子电压以及定子电流等来获得电机的当前转速或转子位置，构成无速度传感器的PMSM控制器[2,3]。

1 基于滑模观测器的矢量控制方法

滑模观测器通过不连续的控制变换系统结构，迫使系统状态沿着特定路径滑向平衡点，趋于稳定[4]。滑模控制器的原理由下式给出，通过bang-bang控制输出量z控制电流误差趋于0，则电压估计量e～s趋近于真实感应电压es，通过对es的相位判断即可确定转子磁链位置[5,6]。基于滑模观测器的转子磁链观测算法表达式为：

式中，is为定子电流；为电流估计量；为电压估计量；vs*为电机转速；z为滑模控制器控制的输出量，A为，B为。

式（1）和式（2）的离散形式为：

其中矩阵F和G的表达式为：

式中，I2表示2×2的单位矩阵。

转子磁链位置检测算法。转子定位表示PMSM转子静止状态下的转子磁链初始位置检测算法。

其基本原理是根据内置式PMSM的凸极效应造成PMSM转子位置不同时定子电感不同，通过检测电感的不同来确定转子磁链初始位置[7,8]。内置式PMSM具有凸极效应，即Lq＞Ld，其中Lq为交轴电感，Ld为直轴电感，记均值电感L=(Lq+Ld)/2，差值电感ΔL=(Lq-Ld)/2，则定子磁链方程可表示为：

式中，θe为解耦角度；ψf为永磁体的磁链；isα和isβ为电子电流分量；ψsα和ψsb为磁链分量。

当具有凸极效应的电机注入高频旋转电压矢量时，其定子电流表达式为：

定子电流经过的坐标变换为：

式（10）中求取反正切即可得到2θe的值。

当定子磁场方向与转子磁场方向相同，磁场增加，铁芯饱和程度加强，电感减小，反之磁场减弱，铁芯饱和程度减弱，电感加强[9,10]。通过施加与转子磁场同向和反向的定子磁场，比较定子电流上升率即可判断两次施加方法的电感大小，进而判断出转子磁链的N、S极。

2 试验与分析

2.1 系统仿真

为验证本文设计的矢量控制技术对系统的控制效果，在MATLAB/Simulink平台系统搭建仿真模型如图1所示，其中包括转速、位置估算的滑模观测器模块、电流环、转速环控制器、Clark-Park变换及其逆变换模块、SVPWM模块和逆变模块。

图1 基于滑模观测器的矢量控制

关于电机估算速度、a、b、c三相电流的仿真结果如图2所示。

图2 仿真结果

2.2 硬件试验设计

本文基于DSP硬件资源搭建了永磁同步电机及无传感器矢量控制硬件系统，对所提出的控制方法进行了实验验证。

PMSM控制系统分为主电路、驱动电路（驱动板）和控制电路（控制板）3个部分。其中驱动板主要包括辅助电源模块、电压电流温度采样模块以及IGBT的PMW驱动电路，辅助电源模块提供控制板工作所需的5 V、+15 V、-15 V电源以及隔离24 V电源。控制板主要包括电源模块、DSP最小系统、EEPROM电路、数字输出电路、继电器输出电路、硬件过流检测电路、故障锁存及解锁电路、PWM使能控制电路、模拟输入信号调理电路、模拟信号输出处理电路与通信电路等部分。

该控制系统速度检测采用正交编码器，控制板上设计正交编码器信号处理电路，正交编码器供电电源选为10 V，输出信号电平也是10 V。编码器输出信号通过施密特反相器HEF50106BT进行信号整形，故HEF50106BT供电电压选用10 V。由于HEF50106BT输出信号通过高速光耦HCPL-0601进行电平转换，因此输出电平为3.3 V，与DSP数字电平匹配。

2.3 结果分析

本文对设计的控制系统在电机拖动实验平台上进行了实验研究，实验结果如图3所示，分别为电机转速达到480 r/min时的电压波形和转子位置波形。

图3 实验结果

3 结 论

本文提出了一种基于滑模观测器的无传感器矢量控制技术，设计了一种转子磁链位置估算检测算法，在MATLAB/Simulink中构建了仿真模型，搭建了永磁同步电机无传感器矢量控制的硬件平台，并在电机拖动的负载实验平台进行实验，通过实验验证转子位置检测算法响应速度较快、稳定性好，系统有效实现了永磁同步电机的无传感器控制。