电机无速度传感器控制技术在包装生产线中的应用

何瑞

电机无速度传感器控制技术在包装生产线中的应用

何瑞

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003）

为提高自动化包装生产线的产品效率和质量，简化传动系统结构，改善永磁同步电机控制系统性能。提出一种基于滑模观测器的无速度传感器控制技术，建立永磁同步电机数学模型。在此基础上，设计一种滑模自适应观测器，可用于观测定子电流和转子磁链，同时给出一种I/F启动策略。通过仿真和实验对系统性能进行验证。仿真和实验结果表明，所述控制方法不仅可以解决电机启动问题，而且采用滑模观测器能够较好地实现转速跟踪，进而确保转子位置准确性。在实际应用中，可将横封横切机构的切点偏差控制在0.4 mm以内，平均偏差只有0.2 mm。无速度传感器控制系统具有响应速度快、调速性能好、鲁棒性强等特点，可以确保电机速度、位置控制精度，进而降低整个控制系统的冗余性、不稳定性，适合包装、仿真、印刷等场合使用。

永磁同步电机；无速度传感器控制；滑模观测器；包装；生产线

随着“中国制造2025”、“工业4.0”不断布局推广，中国制造业日趋智能化、信息化、绿色化，这就要求印刷、纺织、包装、现代物流等领域所用设备尽快过渡到自动化、电子化。为实现此目标，各类电机的使用、普及不可避免。以包装机械为例，其传动机构已由复杂齿轮、链条传动转变为电机直接驱动各轴、各轴之间同步运动。永磁同步电机具有可靠性高、体积小、转矩大等诸多优点，故其在包装生产线、包装机械中的应用十分广泛。永磁同步电机性能的稳定性将直接决定产品质量和企业生产效率，但是在实际生产过程中，一些速度控制、位置控制所需传感器存在精度低、易损坏等问题，一旦出现问题就会降低生产线效率甚至导致设备停机[1-4]。综上所述，永磁同步电机的无速度传感器控制策略研究具有一定价值和意义。目前，智能控制理论在电机控制领域的应用越来越普遍，例如滑模控制。与常规控制方法不同，滑模控制可随时间不断变化，可使系统当前状态量按照设定轨迹运行到期望位置，此时外部干扰就不会再起作用。总体来说，滑模控制具有鲁棒性强、动态性能好、响应速度快等特点[5-7]。滑模观测器根据电机电流建立观测器状态方程，以电流观测误差作为滑模面，通过观测反电动势获取转子位置和速度，但是滑模观测器存在一个问题，即低速时，电机反电动势较小，观测误差较大[8-10]。

为解决此问题，文中设计一种电流闭环启动策略，可先将电机从静止状态拉升到一定转速，然后利用滑模观测器估算电机转速和转子位置，最后切换到无速度传感器控制。通过仿真和实验验证所述方法的有效性。

1 电机数学模型

2 滑模自适应观测器

2.1 滑模观测器设计

根据控制原理，滑模面可选择：

滑模函数则可以定义为：

综合式（1、2、3）可以计算出定子电流和转子磁链的观测方程，即：

根据式（1—4），状态变量误差方程可描述为：

为确保状态变量可在滑模面移动且能够保持稳定[14]，就必须有一个足够大的滑模增益使式（5）满足条件：

2.2 转速自适应估计

一旦误差轨迹到达滑模面，定子电流观测值会收敛到实际值，即存在：

此时可认为转子磁链观测值等于实际值，那么式（5）所示误差方程可描述为：

根据波波夫积分不等式，可以得到不等式：

为提高转速估计系统的响应速度，可在其中引入比例积分环节，那么自适应系统可描述为：

结合上述推导过程，再根据式（4）和式（11）可以得到滑模自适应速度观测器结构，见图1。

图1 滑模自适应速度观测器结构

图2 电机启动策略

3 仿真和实验分析

3.1 仿真研究

为验证所述滑模观测器的可行性和有效性，文中在Matlab/Simulink中搭建了相关模型并进行了仿真研究。电机参数见表1。

仿真结果见图3和图4，其中图3为转速仿真波形，图4为估计转速和实际转速之间误差波形。可以看出：IF启动策略可使电机加速至20 r/min；在0.7 s左右实现控制策略切换。仿真过程中，在1 s时，电机转速设定为30 r/min；在2 s时，电机转速设定为40 r/min；在3 s时，电机转速设定为50 r/min。仿真结果表明：电机在启动和加速阶段，转速估计偏差会稍微大一些，但仍在可接受范围内；当转速稳定后，转速估计值可以很好地跟踪转速实际值，二者之间偏差非常小。

表1 电机参数

Tab.1 Motor parameters

图3 转速仿真波形

图4 转速误差波形

进一步地，当电机转速为50 r/min时，突然添加或卸载1 N·m的负载，仿真结果见图5—7。其中图5为电磁转矩波形，图6为实际转速和估计转速波形。从仿真结果可以看出，突加负载时，电机转速大约减小10 r/min，约耗时0.1 s就可以恢复到50 r/min；突然卸掉负载后，电机转速大约增加10 r/min，同样大约耗时0.1 s就可以稳定到50 r/min。在负载变化过程中，所述滑模观测器可以较好地实现对实际转速的估计、跟踪。

图5 电磁转矩波形

图6 实际转速和估计转速波形

上述仿真结果表明：对于永磁同步电机，所述控制方法不仅可以解决电机启动问题，而且采用滑模观测器能够较好地实现转速跟踪，进而确保转子位置准确性。整个无速度传感器控制系统具有响应速度快、调速性能好、鲁棒性强等特点，适合包装、仿真、印刷等场合使用。

3.2 实验分析

为进一步验证滑模观测器的有效性，将所述电机控制技术移植到包装生产线常用设备——三伺服枕式包装机并应用到横封横切机构。设定电机转速为100 r/min，此时横封横切机构匀速运转；首先，包装膜上标记一系列切点位置；然后，在确保包装机其他机构稳定运行的前提下，测量横封横切机构切点位置的准确性。作为对比，在相同条件下进行重复实验，对照组不采用所述电机控制技术。实验结果见表2。

从实验结果可以看出：如果不采用所述电机控制技术，切点偏差绝对值的最大值为1.6 mm，平均值约为1.2 mm；采用文中所述电机控制技术，切点偏差绝对值的最大值为0.4 mm，平均值约为0.2 mm。通过对比可以发现，电机无速度传感器控制技术可以提高电机控制精度，进而提高包装机械横封横切机构的切点准确性，对提升包装生产线自动化水平具有一定意义。

表2 实验结果

Tab.2 Experimental results

4 结语

以包装生产线常用永磁同步电机为研究对象，为降低整个系统的冗余性、提高系统稳定性，文中设计了一种无速度传感器控制技术同时提出了一种I/F启动策略。仿真和实验结果表明：所述滑模观测器具有较好的跟踪性能，可以确保电机速度、位置控制精度，适用于包装、纺织、印刷等场合。文中仅验证了所述方法的有效性，下一步可从实际应用方面展开研究。

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Application of Motor Speed Sensorless Control Technology in Packaging Production Line

HE Rui

(Yellow River Conservancy Technical Institute, Henan Kaifeng 475003, China)

The work aims to improve the efficiency and quality of automatic packaging production line, simplify the structure of transmission system and improve the performance of permanent magnet synchronous motor control system. A sensorless control technology based on sliding mode observer was proposed. The mathematical model of permanent magnet synchronous motor was established. On this basis, a sliding mode adaptive observer was designed to measure the stator current and rotor flux. At the same time, an I/F starting strategy was presented. The performance of the system was verified by simulation and experiment. The simulation and experimental results showed that the control method cannot only solve the motor starting problem, but also realize the speed tracking through the sliding mode observer, thus ensuring the accuracy of the rotor position. In practical application, the cutting point deviation of the transversal sealing and crosscutting mechanism can be controlled within 0.4 mm, and the average deviation was 0.2 mm. Speed sensorless control system has the characteristics of fast response speed, good speed regulation performance, strong robustness, etc., which can ensure the speed of the motor, position control precision and then reduce the redundancy and instability of the whole control system. It is suitable for packaging, simulation, printing and other occasions.

permanent magnet synchronous motor; speed sensorless control; sliding mode observer; packing; production line

TB486

A

1001-3563(2022)07-0233-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.07.030

2021-06-01

河南省教育厅项目（2019SJGLX691）

何瑞（1969—），女，硕士，黄河水利职业技术学院副教授，主要研究方向为电气自动化技术。

责任编辑：曾钰婵