基于ADRC与SMO的PMSM无位置传感器控制
2024-04-01
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李成才,等基于 驱动 ……’议持电棚 2018年第46卷第1期 …一……一……一…-…一-一………-……-一………-……-一………………。…………………‘‘ c, //秘 基于ADRC与SMO的PMSM无位置传感器控制 李成才,云献睿,周肖飞,何凤有 (中国矿业大学,徐州221008) 摘要:采用饱和函数的二阶滑模观测器(SMO)可有效观测永磁同步电机(PMSM)位置和转速,削弱了滑模固 有的抖振,去除了传统滑模观测器中的低通滤波器。当系统达到稳态时,滑模观测器的控制作用转变为状态线性反 馈的形式,失去了滑模的不变性,抗扰能力降低;SMO结合自抗扰控制器(ADRC)可以提高系统在状态线性反馈时的 自抗扰能力。对ADRC的扩展状态观测器(ESO)和非线性PID(NPID)进行整体设计,简化了控制器的设计过程,缩 减了参数的整定个数。实验结果表明,该算法能够准确观测PMSM位置和转速;系统对内外的总扰动具有较强的抑 制作用。 关键词:二阶滑模观测器;永磁同步电机;低通滤波器;自抗扰控制 中图分类号:TM351 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2018)01—0032—04 PMSM Sensorless Control Based on ADRC and SM0 LI Cheng—cai,YUN Xian—rui,z HoU Xiao i,HE FeT曙一you (China University of Mining and Technology,Xuzhou 22 1008,China) Abstract:A kind of second order sliding mode observer(SMO)using saturation function can observe the rotor position and speed of permanent magnet synchronous motor(PMSM)effectively.Moreover,the second order SMO weaken the chat— ring problem and removed low pass filter,which traditional SMO inherently had.When the system reaches steady state,the control of SMO turned into a line state error feedback,losing the invariance of SMO,therefore the ability of disturbance re— jection would be weakened.SMO with ADRC could improve its capability in the line state error feedback.A whale design of extended state observer(ESO)and nonlinear proportional—integral—derivative(NPID)was proposed to simplify the de— sign process.The design process was simpliifed,and the need of parameters to be confirmed was fewer,Experimentl re—a sults show that the algorithm can precisely estimate the position and speed,and the system has a strong capability of dis— turbanee rejection. Key words:second order sliding mode observer(SMO);permanent magnet synchronous motor(PMSM);low pass filter;active disturbance rejection control(ADRC) 0引 言 PI控制器在基于滑模观测器(以下简称SMO) 线性饱和函数、Sigmoid函数 J、双曲正切函数、正弦 型饱和函数 等替代符号函数的方法,可以减弱抖 振现象。当系统达到稳态,运行在饱和函数的边界 层以内,滑模变结构控制转变为状态线性反馈的形 式,此时系统控制已失去滑模的不变性。因此,将非 线性的ADRC与SMO相结合,不仅可以有效抑制系 统在状态线性反馈下的多参数扰动,而且可以实现 各个速度的平滑过渡,并且能够对转子位置和速度 准确估计。 的永磁同步电机无位置传感器双闭环控制中,速度 环与锁相环的参数整定较难协调。当观测的位置与 速度的误差较小时,系统的速度超调较大,抗负载扰 动能力差。基于经典控制理论与状态观测器的自绕 抗控制器(以下简称ADRC)无超调,抗扰能力强,不 依赖于系统数学模型。ADRC仅关注于系统输入输 出,而把系统内扰和外扰归结为系统的总扰动以实 时估计 。 基于滑模观测器的PMSM无位置传感器是近 年来研究的热点 。如何准确估计反电动势中的 位置信息,削弱滑模固有的抖振问题,实现位置的无 误差跟踪是中高速阶段需要解决的问题。采用诸如 收稿日期:2017—06—28 基金项目:国家重点研发计划课题(2016YFC060096) 1 ADRC设计 1.1 PMSM数学模型 采用 =0的矢量控制方式的SPMSM d-q坐标 系下的状态方程: R p f + M。 3 pOf 2 ., B 32 议持电棚 2018年第46卷第1期 …一…………………_--………一………-………………………………-一一…………………--c, r// 驱动 》 ……: 式中:i , 分别为q轴定子电流与电压;R为定子 电阻; 为交直轴电感; 为转子磁链;o9 为转子角 速度;p为极对数;J为转动惯量;TL为负载转矩;B 为粘性摩擦系数。 将电流和速度方程分别改写成电流环和速度环 的电压和电流给定方程: 差越小; 。为滤波因子,通常根据步长来确定。 根据式(2),转速环和电流环自抗扰控制系统 框图如图1所示。 ∞I l 图1速度环和电流环的自抗扰控制框图 U 一 =一 一,l (iL g, , , ,,,rR,LgL,o )1 J 一 1 }I (2) 2二阶SMO设计 =一 c£, 一 ( , r,TL,‘,, )j 式中:6 :÷;6 :寻 ( ,R,L, ):“ 一u ~ (iq, TL…J )=iq-i 一古( 一 (i , ,R,L, )和 ( , ,TL,J,(£J )视为系 统总扰动。把总扰动的估计放在扩展状态观测器 (以下简称ESO)和非线性PID(以下简称NPID)中 实现,从而输出g轴的电压和电流给定,使系统达到 期望的转速。对总扰动估计而建立ESO和NPID 时,无需基于系统精确数学模型,根据输出与输入之 间的误差,整定ESO和NPID参数,使误差有限时间 收敛至零。因此,既可以简化电机内外多参数扰动 的估计和观测,又能够保证系统的稳定运行。 1.2 ESO,NPID,TD设计 为了简化系统设计过程,减少整定的参数,本文 将ESO与NPID整体设计,将NPID设计为线性加权 的形式,而系统对扰动的抑制能力并没有降低。以 转速环为例,设计: el s1一 r e2 zs1一(E) z l: 2一/31e1 (3) zs2=一 2e2 = e2+kj∑e2 式中1 ̄O 为SMO观测的转子角速度; 为期望转 速;z 为ESO的观测值;U为NPID的控制率。 电机起动瞬问的误差最大,它是造成传统PI控 制器超调和积分饱和的主要原因。设计跟踪微分器 作为缓冲,可起到平滑过渡的作用。 跟踪微分器设计_4]: 。1一 r 1 f4 1=一rfal( 1一 ,O/,ho)J r “sgn(e) >‰ 式中:fal(e,c ̄,ho) {L, 0 l ,l—a lel≤ u 为速 度跟踪值;r为滤波因子,r值越大,跟踪速度越快; 当h。值固定时,OL取值越大,收敛速度越快,静态误 隐极式PMSM在静止两相坐标系下的定子电 流数学模型: 爹 (一 +“n-e ̄)/L1 (5) =(一尺 + 一 )/L J 式中:i , ,“ ,“口分别为静止两相坐标系下的定子 电流和电压; , 为反电动势。 设估计的电流状态方程: d 一R +U +V 一dt ——— 一 一二 ± ± J (6) df £ J 式(6)减式(5)得定子电流误差方程: d 一R +e +v 一dt一—— —— (7) 一二 ± ± d 一 设计一阶滑模切换面: f=i 一i (8) 二阶滑模切换面设计: 李 成 s=f+cf (9):霉 = {(c譬一1) 一 [( +叼)sat( )+As ]dr) 蚕 所出现的下 M肭大于 量 =s ; <。时,.系筝稳定。即: =ss;s=ss + =ss[ s+ C_(一 ;s+ s十 s)] 鬟 xf ̄(11)求导并代入式(12)得: i =s [詈 一(y+ ,7)sat(s )一As ](13)i;33 驱动 ……‘触持电棚 20l8年第46卷第1期 …………………………………………………………………………………………………· c //纪 , 当y≥詈}e l时, ≤一As2 <0,满足系统稳定条件。 3实验验证 为验证本文ADRC与SMO在PMSM无位置传 感器有效性,进行了PI+SMO和ADRC+SMO对比分 析。电机参数设置如下:定子等效电阻为2.75 Q, 定子等效电感为8.5 mH,转子磁链为0.182 Wb,转 动惯量为0.001 kg·133 ,粘性摩擦系数为0.01 N· m·S,极对数为3。ADRC与SMO系统控制框图如 图2所示 图2 ADRC与SMO控制系统框图 转速环ADRC参数整定: 1=10 000;/3 ̄2:5 000; K。l=0.5;Ki1=500。电流环参数整定:/3 1=80 000, :=4 000,KD2:1 000。滑模观测器参数整定:A= l0;c=5;y+r/=500 000。 电机初始转速给定500 r/min,0.05 s加载 5 N·m,0.1 S再加载3 N·m,0.15 s减载4 N·m, 0.2 S变速度给定为1 000 r/min。基于PI控制器的 积分型SMO和基于ADRC的积分型SMO所观测的 反电动势信息如图3所示。 叫《 l 导致系统不稳定。当调节双闭环的PI控制器参数 使系统输出的估计转速无超调时,实际转子位置和 估计转子的位置误差较大,系统的抗扰能力较低。 基于PI控制器的系统在加载卸载时有5 r/min 的速降和速升,起动时实际的转子转速与估计的转 速最大误差为88 r/min,在3 ms时,估计的转速跟 踪上实际的转速,达到稳态时,实际转速与估计转速 之间的误差为2 r/min。稳态时位置跟踪误差为 1.14。 1 .量 阜 ‘ 鼍 tls s (a)转速观测 (b)转速观测误差 (e)位置观测 (d)位置观测误差 图4基于PI和SMO的转速与位置观测 ADRC与SMO的PMSM无位置传感器控制系 统转速和位置波形如图5所示。由于TD的缓冲作 用,电机起动平滑,超调量仅为0.9%,起动瞬间实 际转速与估计转速最大误差为79 r/min,估计的转 速在3.2 1TIS跟踪上实际的转速;0.05 s,0.1 s,0.15 S加载和卸载的瞬间分别有10 r/min,10 r/min和16 r/min的波动,而后快速恢复至给定转速,达到稳态 时实际转速与估计的转速之间误差为1.4 r/min,稳 态时位置跟踪误差为1.01。。 鲁 t}s tIs (a)转速观测 (b)转速观测误差 / O.Ol 0 .日 0.01 / (c)位置观测 (d)位置观测误差 图5基于ADRC和SMO的转速与位置观测 4结语 二阶积分型滑模观测器去除了低通滤波器,反 触持电棚 2018年第46卷第1期 电动势的正弦性较好,能够准确估计转子的位置和 转速,解决了低通滤波器导致的相位补偿问题,简化 驱动 IJ rejection controller for sensorless contorl of intenral permanent一 g y“ … 咖 [J]· EE Tm“ 。“ 。“ “ “。 i E’ PMSM无位置传感器中,超调大,抗扰能力弱,鲁棒 性较差。而ADRC在不同转速给定下都能平滑切 换,转速无超调,控制器参数适用的转速带宽较大, 且对系统内外抗扰能力强,在负载转矩扰动较大的 情况下,能快速收敛到给定转速。 参考文献 fI]HAN Jingqing.From PID t0 active disturbance rejecti0n c0ntrol [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(3): 900~906. 了观测器的设计。传统PI控制器在以sM0的 [3] 题研究[D]哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014. .善 模变结构控制若干关键问 [4]KIM Hongryel,SON Jubum.Ahigh—speed sliding—m。de Dbserver for the sensorless speed control of a PMSM[J].IEEE Transactions 。“ “ 血 E ec nics,2016,63( ):3019-3027. 技术的PMsM仿真研究 [6] 陆婉泉,林鹤云.永磁同步电机无传感器控制的软开关滑模观 测器[J].电工技术学报,2015,30(2):106—112. 作者简介:李成才(1989一),男,硕士研究生,研究方向为电力电 [2]DU Bochao,wu Shaopeng.Application of linear active disturbance 子与电气传动。 (上接第25页) 趋势,下降速度为平缓;当定子槽宽超过10 mm时, 反电势降低速度增大。同时可以看出,反电势最小 3结 语 本文针对5 kw的4极12槽的高速永磁同步电 机,通过上述分析计算,并在Ansofl仿真软件中进行 仿真分析,在定子槽面积与槽满率不变的情况下,定 子槽尺寸的变化对电机性能参数的影响如下: 1)定子槽宽的变化会引起电机反电势波形的 值为反电势最大值的83.4%,相差较大。 铁耗是电机损耗的重要组成部分,直接影响电 机的效率和温升。铁耗主要由磁滞损耗和涡流损耗 组成 ,其基本计算公式如下所示。 磁滞损耗: Ph=K} : (5) 变化,定子槽宽在极限取值范围内,取两边值时会使 反电势波动较大;而中间值偏小部分时,反电势波形 较理想。 式中: 为磁滞损耗系数; 。为磁通密度幅值 为 电磁交变频率; 为系数, =1.6~2.3。 涡流损耗: P。=K (6) 2)定子槽宽的变化对电机反电势的有效值及 电机的铁耗影响曲线相似。 参考文献 [1]周同春,林丁生.交流电机定子槽形的优化设计[J].中小型电 机,1985,(6):10—13. 式中:Kc为涡流损耗系数。 基本铁耗: PF。=Ph+P。 (7) [2]胡梦蛟.汽车用发电机定子槽形优化设计[J].汽车电器, 李成才等1991,(1):8-9. 基对于一般的硅钢片,铁耗计算公式可近似写成: PFe=c 尸 。 G (1 T<Bp<1.8 T) (8) 式中:c 为铁心损耗系数;G为铁心质量。 在Ansofl软件中进行电机的损耗计算,其损耗 曲线如图5所示。随着定子槽宽的变化,电机铁耗 的曲线与反电势有效值曲线极为相似。 [3] 叶剑秋.变频调速感应电动机转子槽形优化设计[J].微特电 机,1999,(3):30—32. [4] 黄坚,王鸿鹄,姚鹏,等.基于槽型元素图组合的感应电机槽型 优化设计计算法[J].电机与控制应用,2012,39(5):12—15. [5] 赵海森,刘晓芳,杨亚秋,等.基于时步有限元分析的超高效电 机定子槽形优化设计[J].中国电机工程学报,2011,31(33): l15—122. [6]张洪亮.永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究[D].哈尔 滨:哈尔滨工、 l大学,2010. 6I/mm 图5铁耗与定子槽宽 35