基于SMC和AFEKF的永磁同步电机无传感控制研究

发布时间：2020-11-19 04:35

　　 近几年,永磁同步电机(PMSM)因为其具有结构简单、占用空间小、功率密度高、动态性能好、安全可靠维护简单等诸多优点,广泛应用于伺服控制、航空航天、船舶动力、电动汽车和工农业生产等诸多领域,受到各国科研人员的普遍重视。电机的速度与位置是控制电机的核心问题,传统的速度/位置传感器存在会使系统增加成本、运行维护困难、在恶劣的环境下不适用等因素。因此,针对上述问题,本文研究的重点为PMSM无位置传感控制。首先,本文采用id=0的磁场定向矢量控制作为永磁同步电机驱动的基础。针对传统的PI速度控制器鲁棒性较差、容易受到外部扰动的影响,导致不能获得满意的调速与转子定位效果。滑模速度控制器(SMC)作为一类特殊的非线性控制策略,由于其控制器设计简单,响应速度快、对参数变化以及外部扰动具有较强鲁棒性而被广泛应用。本文针对传统PI速度控制器的速度超调及滑模控制会出现的抖振情况,设计了一种改进的基于指数趋近律的滑模控制器。其次,针对传统扩展卡尔曼滤波(EKF)估计永磁同步电机(PMSM)速度、位置存在模型不精确,噪声不确定时估计精度不高、实时性差,且有可能导致滤波发散的问题,采用一种基于Sage-Husa的自适应渐消扩展卡尔曼滤波(AFEKF)算法。该算法在EKF的基础上结合自适应渐消因子与Sage-Husa自适应滤波的优点,可以有效降低模型误差、提高滤波精度。研究结果表明:SMC和AFEKF性能均优于PI和EKF,其中在启动时能较快的到达预定速度,且无超调现象,迅速达到稳定状态;在加载后最大偏差比传统EKF算法减小了 1.77%,且稳定状态下转速误差下降了 0.371%,稳态位置误差减小了 0.45%。故基于SMC的AFEKF算法可以达到对历史统计数据的遗忘,又能应对PMSM运行过程中参数变化、环境噪声的影响,对电机速度、位置估计更精确。
【学位单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

图 1-1 PMSM 无位置传感分类Fig.1-1 The without-position sensing classification of PMSM下面介绍几种实际工程中常用的无传感算法：（1）直接估算法[41-43]这种估算方法的出发点是电机的数学方程，是最先提出的无传感算法，其中包括反电势法和磁链估计法，通过检测定子电压和电流，通过直接计算得到速度和位置信息。直接计算法是一种开环估计，没有反馈环节，是诸多无传感算法中最简单直接的方法，但是无论是哪种直接计算法，都依赖于准确的电机参数。当电机运行时，其参数总是不断变化的，电阻会受到温度的影响，电感会受到磁饱和的影响，这些因素都会使电机模型变得不精确，必须要引入参数的在线辨识法相结合，但这又无形增加了系统的复杂程度。（2）模型参考自适应法[44-45]该方法是一种对参数进行估算的方法，也是一种较为常见的无传感算法。主要包含三个组成部分：参考模型、可调模型以及自适应算法。其中将含有待估计

2 PMSM 数学模型及矢量控制的原理2.1 PMSM 的结构PMSM 与电励磁三相同步电机相比，结构上存在诸多的简化。根据永磁体在转子不同的位置可以得到不同种类的电机：面贴式、插入式和内埋式。面贴式PMSM 的永磁体一般安装在转子铁芯表面，从图 2-1a 可以看出其相邻永磁材料之间为空气，磁导率与永磁体磁导率非常接近，磁路是对称的，从电磁角度分类，该类电机属于隐极式电机，具有最优设计磁极、成本低等特点；而插入式的永磁体则是嵌在转子表面，其结构如图 2-1b 所示，其转子永磁材料的磁导率远小于永磁体，因此磁路不对称，按电磁角度分类属于凸极式 PMSM。内埋式 PMSM 如图2-1c 所示，其永磁材料位于转子内部，同样由于铁磁材料造成的磁路不对称，所以该类电机也属于凸极式 PMSM，具有良好的动、静态性能，但漏磁系数较大，制作成本高。本文研究的电机为隐极面贴式电机。

河南理工大学硕士学位论文步电机来说，在约束条件有功功率不变和磁势不需要将三相 PMSM 的电磁关系由三相直角坐标系两相静止坐标系α-β的α轴与定子 A 相绕组重 90°电角度得到β轴；定义两相旋转坐标系 d-q 的，沿转速方向逆时针旋转 90°电角度得到 q 轴，义为转子的位置角度，该旋转坐标系跟随电角图所示[62]：
【参考文献】

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本文编号：2889707