基于改进型SMO的PMSM无传感器鲁棒控制方法
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作者:王丽 高远 袁海英
摘 要：为提高永磁同步电机无传感器控制系统的控制性能和抗干扰能力，提出一种改进型滑模观测器无传感器鲁棒控制方法。该方法引入双曲正切函数替代传统滑模观测器的开关函数，并采用锁相环技术对转子状态信息进行提取，以削弱观测器的抖振效应和提高转子状态估计精度;为抑制转子状态估计误差和不同负载工况等干扰，提高无传感器控制系统的整体性能，设计速度环自抗扰控制器来替代传统的PI调节器。控制系统仿真结果表明：相比传统方法，该方法不仅能有效抑制抖振，提高转子状态的估算精度，而且进一步提高了电机无传感器转速跟踪控制的性能和鲁棒性。
关键词：永磁同步电机;改进型滑模观测器;自抗扰控制;鲁棒性;估计精度
中图分类号：TM351 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2022.02.007
0 引言
近年来，永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）调速系统广泛应用于纯电动汽车、机器人、工业传动等领域。PMSM控制系统普遍采用机械式传感器检测反馈电机的转子状态（速度和位置）信息，这不仅增加系统设备的安装维护成本和体积，而且传感器检测效果易受电磁、温度等因素干扰，对电机调速控制性能造成不良影响，甚至会出现传感器故障，导致控制系统失稳等问题[1]。为提高PMSM调速控制系统的容错能力，近年来，PMSM无传感器控制技术备受关注。针对PMSM无传感器控制问题，提出了扩展卡尔曼滤波方法、模型参考自适应方法、滑模观测器（sliding mode observer，SMO）方法等[2-4]。
传统的SMO方法采用不连续的滑模面切换开关控制函数，使得PMSM转子状态估计存在抖振效应，导致转子状态观测精度降低[5]。为抑制或降低滑模抖振效应，提高转子状态估计精度和无传感器控制效果，有学者采用准滑模函数思想，在SMO中引入饱和函数或分段指数函数等具有连续性的切换函数来替代传统的符号开关函数[6-7]。文献[8]采用低通滤波加相位补偿的方法滤除高频抖振，同时对滤波导致的相位延迟进行补偿，然而该方法固定的滤波器截止频率和相位补偿环节无法适用于大范围调速且负载变化的无传感器控制情形。近年来，有报道采用截止频率可变的滤波器或级联滤波器等对观测器输出进行高频抖振滤波，虽能滤除高次谐波和减小相位偏差，但截止频率和相位补偿值的调节律设计使方法变得复杂，计算量变大[9-10]，且还存在相位延迟的补偿环节情况[11]。
现有的PMSM无传感器控制系统大都采用速度环、电流环的双闭环比例积分（proportional integral，PI ）矢量控制，虽然PI控制器结构简单，但自适应能力不强，控制效果易受到估计误差、系统参数、外部负载等摄动干扰的影响，无法获得令人满意的电机控制动静态性能及鲁棒性[12]。近年来，有学者在探寻高精度鲁棒观测器，同时也对PMSM的速度环开展先进控制算法研究，提出了速度环的积分滑模控制[13]、模糊PI控制[14]、分数阶滑模控制[15]等方法，旨在提高无传感器控制系统的整体 性能。
为提高基于SMO的PMSM无传感器调速控制系统的整体性能和鲁棒性，本文设计一种改进型SMO，通过采用连续光滑的双曲正切函数代替传统SMO中不连续的开关函数，以有效抑制观测器输出的抖振效应。考虑双曲正切函数输出的连m性，为降低观测器输出延迟和误差，省去传统SMO中的低通滤波器环节，引入锁相环技术（phase-locked loop，PLL）替代反正切函数求解运算来提取估计反电动势中的转子状态信息。此外，鉴于线性自抗扰控制器（linear active disturbances rejection controller，LADRC）是一种鲁棒性控制器，设计速度环LADRC 替代传统的转速环PI控制器，以有效抑制时变负载及系统参数摄动、估计误差等扰动对PMSM无传感器转速控制性能的不良影响，提高控制系统的整体性能。改进型SMO的PMSM无传感器鲁棒控制系统的仿真对比结果验证了工作的有效性。
1 PMSM的数学模型
考虑两相定子绕组电感大小相同的表面贴式PMSM，其在α-β静止坐标系下的定子电流方 程为[16]：
[diαdt=-RsLsiα+1Lsuα-1Lseα，diβdt=-RsLsiβ+1Lsuβ-1Lseβ.] （1）
式中：[iα]、[iβ]分别表示定子在[α]、[β]轴上的电流分量，[uα]、[uβ]分别表示定子在[α]、[β]轴上的电压分量，[Rs]和[Ls]分别是定子绕组的电阻和电感，[eα]、[eβ]分别为[α]、[β]轴上的反电动势分量，并满足如下方程：
[eα=-φfωrsinθ，eβ=φfωrcosθ.] （2）
其中：[φf]为永磁体磁链，[ωr]为转子角速度，[θ]为转子旋转角度。
采用[id]=0的矢量控制方式，则PMSM在d-q坐标系下的机械运动方程为：
[dωrdt=32PnφfJiq-BJωr-TLJ]， （3）
式中：[iq]表示[q]轴定子电流，[TL]为负载转矩，[Pn]为电机极对数，[J]和[B]分别代表转动惯量和阻尼系数。
nlc202204151704
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