永磁同步電動(dòng)機(jī)（permanent magnet synchronous motor, PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡單、力矩慣量大和可靠性高等優(yōu)良特性。因此，研發(fā)高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的實(shí)用價(jià)值。為構(gòu)建高性能的控制系統(tǒng)，一般需安裝霍爾傳感器等機(jī)械傳感器來獲取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，但價(jià)格昂貴及增大電動(dòng)機(jī)體積等缺點(diǎn)限制了機(jī)械傳感器的實(shí)際應(yīng)用。因此，近些年來，基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的無傳感器控制技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前，永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)對于轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的觀測主要被分為適用于低速和中高速的兩類方法。利用電動(dòng)機(jī)凸極特性，外加特定頻率的激勵(lì)來估算轉(zhuǎn)子位置信息的方法，如高頻信號注入法、低頻注入法等，被提出并應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制中，在低速甚至零速都取得了良好的結(jié)果。但在運(yùn)行過程中需要持續(xù)的激勵(lì)，降低了逆變器的電壓利用率，運(yùn)算量大，且動(dòng)態(tài)性能不是十分理想。

中、高速區(qū)無速度傳感器控制方法大多依賴于電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，通過反電動(dòng)勢獲取位置信息。早期多采用的是開環(huán)算法，如直接計(jì)算法及反電動(dòng)勢積分法等。開環(huán)算法工程實(shí)現(xiàn)簡單，當(dāng)電動(dòng)機(jī)模型準(zhǔn)確時(shí)，觀測精度高，但極易受參數(shù)變化影響，算法不穩(wěn)定。

隨著控制理論的不斷發(fā)展，基于各種觀測器的閉環(huán)算法得到了廣泛的應(yīng)用，如擴(kuò)展卡爾曼濾波器法、模型參考自適應(yīng)算法及滑模觀測器法等，使轉(zhuǎn)速觀測精度和系統(tǒng)魯棒性有了很大改善。擴(kuò)展卡爾曼濾波器法算法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，參數(shù)分析困難。模型參考自適應(yīng)算法雖采用閉環(huán)控制，但觀測器精度依賴于參考模型的準(zhǔn)確性。而滑模觀測器法受系統(tǒng)參數(shù)變化及外界擾動(dòng)的影響較小，具有較強(qiáng)魯棒性，且結(jié)構(gòu)算法簡單，工程實(shí)現(xiàn)容易，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文設(shè)計(jì)的滑模觀測器，用飽和函數(shù)代替開關(guān)函數(shù)并引入反電勢卡爾曼濾波器來減弱滑模控制中固有的抖振，采用設(shè)計(jì)優(yōu)化的鎖相環(huán)來提高轉(zhuǎn)速提取精度，并搭建了永磁同步電動(dòng)機(jī)仿真模型來驗(yàn)證該方法的有效性。

圖4 永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器矢量控制框圖

結(jié)論

本文基于Matlab/Simulink搭建了永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)，并提出用一種改進(jìn)的滑模觀測器來估算轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信息；通過用飽和函數(shù)替代開關(guān)符號函數(shù)及增加反電勢卡爾曼濾波器來減弱抖振；為避免正切函數(shù)和微分環(huán)節(jié)的使用，引入優(yōu)化的鎖相環(huán)來提取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信息。

該方法可減少計(jì)算量，提高測量精度，節(jié)約系統(tǒng)資源，改善工程適用性。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的改進(jìn)滑模觀測器估算精度高，控制準(zhǔn)確性高，動(dòng)態(tài)性能良好，對外加擾動(dòng)不敏感，體現(xiàn)出良好的魯棒性，驗(yàn)證了該方法的有效性。