摘要 滑模變結(jié)構(gòu)觀測器由于其較強的魯棒性以及對電機參數(shù)變化敏感度低特點，在無傳感器驅(qū)動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但實際系統(tǒng)的不連續(xù)性和有限的滑模開關(guān)頻率以及滑模開關(guān)增益選取不當(dāng)使得滑模變結(jié)構(gòu)觀測器所估計量存在抖振問題。本文針對實際系統(tǒng)中滑模變結(jié)構(gòu)觀測器觀測量存在的抖振問題，提出了多重化離散控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)觀測器中的符號函數(shù)實現(xiàn)多重狀態(tài)切換，既保留了傳統(tǒng)滑模具有的優(yōu)點又有效抑制估計量的抖振現(xiàn)象。仿真和實驗結(jié)果表明該方法有效的抑制了SMO估計量的抖振問題，提高了無位置永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的運行性能。 關(guān)鍵詞：永磁同步電動機 抖振 離散滑模控制 多重化 Abstract Due to the robust estimation performance and low sensitivity to variation of machine parameters, SMO is widely utilized in the sensorless drive system. However, values estimated by SMO does have chattering problem because of the discontinuity and finite switching frequency of the real system. In this paper, a novel sliding mode observer is proposed to circumvent the chattering problem. A multilevel discontinuous control is applied to replace the sign function utilized in the conventional models. The method both preserves the well-known SMO features and effectively inhibits the chattering problem. Results of simulation and experiments show that the method inhibits the chattering problem effectly and enhances the performance of sensorless PMSM vector control system. Keyword: PMSM, chattering, discontinuous control of SMO，multi-level 1 引言 永磁同步電動機以其功率密度高、轉(zhuǎn)矩慣量比大和效率高等優(yōu)點越來越多的應(yīng)用于伺服控制。永磁同步電動機的磁場定向和矢量控制的實現(xiàn)需要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息。在交流伺服驅(qū)動控制中常用光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾傳感器來提供轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信息，但是這些傳感器的使用增加了系統(tǒng)的費用以及維護費用，同時還降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此許多估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的無傳感器技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。 文獻[1]利用定子端電壓和電流直接計算出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，這種方法計算簡單、動態(tài)響應(yīng)快、延遲小，但需要準確的電機數(shù)學(xué)模型。此方法需要結(jié)合參數(shù)自辨識來實現(xiàn)較準確的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置估計；文獻[2-3]中采用高頻注入法等實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的估計，這種方法能很好的解決低速和超低速時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置估計問題，但實現(xiàn)起來相對比較困難，尤其是電機低速運行時非線性因素較為突出；文獻[4-6]采用擴展卡爾曼濾波算法來估計對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，但該算法對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的觀測計算量大，而且永磁同步電動機啟動階段估計值收斂到實測值的延遲效果較大；文獻[7]運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的估計，此類智能算法特別復(fù)雜，參數(shù)設(shè)計比較困難不利于實現(xiàn)。文獻[8-10]運用了滑模變結(jié)構(gòu)觀測器來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的估計，可以看出該算法魯棒性強，對電機參數(shù)變化的敏感度低?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)觀測器只有在離散系統(tǒng)開關(guān)頻率為無窮大時才能夠達到理論上的效果。實際上，有限的開關(guān)頻率和相對理想狀態(tài)下較低的采樣頻率都會使系統(tǒng)估計量出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，其中滑模開關(guān)增益選取不當(dāng)是出現(xiàn)抖振現(xiàn)象最主要的原因。 本文通過對滑模控制信號的多重化，減小了滑模開關(guān)增益實現(xiàn)多重切換狀態(tài)從而有效地抑制了滑模變結(jié)構(gòu)觀測器估計量的抖振問題。文中所述的滑模變結(jié)構(gòu)觀測器在基于DSP2812永磁同步電動機數(shù)字控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。仿真和實測結(jié)果驗證了本文提出這種新型滑模變結(jié)構(gòu)觀測器的有效性。 2 多重化離散控制的滑模觀測器 2.1 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型 2.2 傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)觀測器 基于（1）式，滑模變結(jié)構(gòu)觀測器可構(gòu)造為： 一般來說，滑動模態(tài)在邏輯切換時與切換面形成的區(qū)域越小越有利用使實際運動趨近于理想滑模運動。邏輯切換與切換面形成的區(qū)域?qū)挾鹊淖畲笾涤呻x散控制的頻率以及它的開關(guān)增益共同決定。正常情況下，只需要確定全速范圍內(nèi)滑模開關(guān)增益值，使滑模運動穩(wěn)定運行。但是觀測量的抖振范圍隨著運行條件不同而變化。當(dāng)電機運行在低速時，固定開關(guān)頻率下相對較大的開關(guān)增益可能使得定子電流的估計誤差變大。 從上圖可看出滑模離散控制通常只有兩種狀態(tài)。 區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)是線性連續(xù)的；然而卻不能進一步驗證是否收斂于零。 2.3 多重化控制滑模變結(jié)構(gòu)觀測器 把（3）式化為離散化形式可得： 2.4 基于滑模變結(jié)構(gòu)觀測器的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng) 圖2為無位置傳感器永磁同步電動機矢量控制驅(qū)動系統(tǒng)，系統(tǒng)包括一個轉(zhuǎn)速外環(huán)和兩個電流內(nèi)環(huán)以及本文提出的自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)觀測器。此外也包含傳統(tǒng)矢量控制部分：Clark、Park變換和它們的反變換，SVPWM模塊以及三相電壓源逆變器和永磁同步電動機。轉(zhuǎn)子位置通過滑模變結(jié)構(gòu)觀測器來估計得到，矢量控制采用Id=0的控制策略。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)控制框圖 Fig2 The structure block diagram of control system[/align] 3 實驗與分析 永磁同步電動機的主要參數(shù)為：定子電阻0.4Ω，交、直軸電感8.6mH，極對數(shù)4，永磁體0.213Wb，額定功率600W,額定轉(zhuǎn)矩2.5 N•m，額定轉(zhuǎn)速3000rpm。系統(tǒng)的采樣頻率為10kHz，母線電壓為310V，最大相電流為5.8A。此外，采用2500-pulse增量式碼盤用來測量初始轉(zhuǎn)子校正角度。 圖2和圖3分別為永磁同步電動機轉(zhuǎn)速為250rpm時，電動機空載和滿載的仿真結(jié)果。 [align=center] 圖2 多重化滑模觀測器的仿真實驗結(jié)果 Fig2 Simulation results of Multi-Level SMO : no load. 圖3 多重化控制滑模觀測器的仿真實驗結(jié)果 Fig3 Simulation results of Multi-Level controlSMO : 2.5-Nm load.[/align] 圖4和圖5 分別為永磁同步電動機轉(zhuǎn)速為250rpm時，永磁同步電動機空載和滿載的實驗結(jié)果。 [align=center] （b） （d） 圖4 多重化控制滑模觀測器空載實驗結(jié)果: （a）碼盤測量信號;（b）SMO估計信號 （c） 軸上滑?？刂菩盘?；（d） 軸上滑?？刂菩盘? Fig4 Experimental results of Multi-Level control SMO:no load （a）signal measured by encoder; （b）signal estimated by SMO （c）stationary- axis sliding control; （d）stationary- axis sliding control （b） （d） 圖5 多重化控制滑模觀測器滿載實驗結(jié)果: （a）碼盤測量信號；（b）SMO估計信號 （c） 軸上滑?？刂菩盘枺唬╠） 軸上滑?？刂菩盘? Fig5 Experimental Results of Multi-Level SMO:full load （a）signal measured by encoder;（b）signal estimated by SMO （c）stationary- axis sliding control;（d）stationary- axis sliding control[/align] 從仿真結(jié)果看出，無論永磁同步電動機空載還是滿載，前0.05秒內(nèi)估計轉(zhuǎn)子位置與實測轉(zhuǎn)子位置存在較大誤差，這是因為電動機剛啟動時轉(zhuǎn)速較低，反電勢較小導(dǎo)致SMO估計量偏離實際值。啟動結(jié)束后由于反電勢足夠大，所以SMO估計的轉(zhuǎn)子位置與實測值幾乎沒有誤差。實驗中，電機軸存在機械摩擦使得電機啟動時轉(zhuǎn)速上升較仿真慢，但估計轉(zhuǎn)子位置經(jīng)過一個電周期后與碼盤實測轉(zhuǎn)子位置誤差很小。同時，在永磁電動機空載和滿載的情況下無論仿真還是實驗，滑模觀測器估計出的電動機轉(zhuǎn)子位置和兩相靜止坐標軸上的滑模控制信號曲線都非常平滑，有效地消除了抖振現(xiàn)象，這充分驗證了本文提到的滑模觀測器的多重化控制可行性和有效性。 4 結(jié)論 本文在傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)觀測器永磁同步電動機矢量控制的基礎(chǔ)上，提出了一種多重化控制的滑模變結(jié)構(gòu)觀測器。該方法估計出的轉(zhuǎn)子角度曲線更平滑、更準確，尤其是在帶載條件下，同時也保留了傳統(tǒng)滑模觀測器魯棒性強等優(yōu)點。本文提出的多重化滑模觀測器已成功地用于永磁同步電動機矢量控制中。由上述仿真和實驗結(jié)果驗證了多重化控制滑模變結(jié)構(gòu)觀測器的正確性和有效性。 參考文獻 [1] Malakondaiah Naidu,Bimal.Bose. Rotor Position Estimation Scheme of a Permanent Magnet Synchronous Machine for High Performance Variable Speed Drive[J].Industry Applications Society Annual Meeting,1992,（1）:48-53. [2]Jung-lk Ha; Seung-Ki Sul. Sensorless field-orientation control of an induction machine by high-frequency signal injection[J].Industry Applications, IEEE Transactions on Volume35, Issue 1,Jan-Feb,1999 Page（s）:45-51. [3] 賈洪平，賀益康。基于高頻注入法的永磁同步電動機轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究[J].中國電機工程學(xué)報[J]，2005，27（15）:15-20. Jia Hong Ping,He Yi Kang.Study on Inspection of the Initial Rotor Position of a PMSM Based on High-frequency Signal Injection[J],Proceedings of the Chinese Society for Electrica Engineering , 2005 , 27（15） : 5 - 20 . [4] Zhuang xu, Rahman M.F. An Extended Kalman Filter Observer for the Direct Torque Controlled Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Driver. Power Electronics and Drive Systems[J],PEDS 2003,1:686-691. [5] HEN-GEUL YEH.Real-Time Implementation of a Narrow-Band Kalman Filter With a Floating-Point Processor DSP32[J].Industrial Electronics ,IEEE Transaction on Volume 37,Issue 1,February 1990,Page（s）:13-17. [6]Rached Dhaouadi, Ned Mohan, Lars Norum. Design and Implementation of an Extended Kalman Filter for the State Estimation of a Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on Volume 6,Issue 3,July 1991,Page（s）:491-497. [7]李鴻儒，顧樹生?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的PMSM速度和位置自適應(yīng)觀測器的設(shè)計[J]。中國電機工程學(xué)報，2002，22（12）:32-35。Li Hong Ru, Gu Shu Sheng. Neural-Network-Based Adaptive observer of Position And Speed of PMSM[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering,2002,22（12）:32-35. [8]吳春華，陳國呈，孫承波?；诨Ｓ^測器的無傳感器永磁同步電動及矢量控制系統(tǒng)[J]，電工電能技術(shù)，2006，25（2）:1-3。Wu Chun Hua, Chen Guo Chen, Sun Cheng Bo. PMSM Sensorless Vector Control Based on Sliding Mode Observer[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2006,25（2）:1-3. [9]Vadim Utkin,J. Guldner and Jingxin shi, Sliding mode control in electromechanical systems,1st ed,Taylor&Francis,1999. [10]Z.M.Peixoto,et al,”Speed control of permanent magnet motors using sliding mode observers for induced emf,position and speed estimation,” in Conf. Rec. IEEE – IAS Annu . Meeting , Vol . 2,1995,pp.1023-1028. 作者簡介： 龐濤（1981-）男，碩士，主要研究方向：從事永磁同步電動機矢量控制無速度傳感器方面的研究。 徐壯（1972-）男，副教授，主要研究方向： IPM無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制，IPM電機的無傳感器超低速運行，兆瓦級永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究，混合電動車的42V PowerNet ISA 系統(tǒng)中新型IPM電機的設(shè)計及Z-源雙向變換器的研究。 聯(lián)系地址：哈爾濱工業(yè)大學(xué)一校區(qū)11公寓611-2。 聯(lián)系電話：13654583125