王 卫，阳鹏飞，陈 瀚
(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008)
摘 要：关于在永磁同步电机（PMSM）中无传感器操控技能调速规模具有局限性，提出了一种结合滑膜观测器法和高频电压信号注入法的操控战略，完成永磁同步电机（PMSM）在无传感器操控技能下的全速规模操控。当PMSM处于中、高速规模内时，选用滑膜观测器法来预算转子速度和方位；在零、低规模内时，选用高频信号注入法补偿滑膜观测法的缺乏；当低速与中高速进行切换时，选用线性加权均匀法完成平稳过度。仿真成果表明：结合滑膜观测器法和高频注入法的混合形式可以有用下降两种算法进行切换时的颤动，可以很好的完成永磁同步电机在全速规模内的滑润操控。
关键词：永磁同步电机；无传感器操控技能；高频电压信号注入法；滑膜观测法；线性加权均匀法
0 导言
永磁同步电动机作为工业驱动范畴的重要根底部件，具有牢靠性高，体积小，效率高，节能，转矩相对低的长处。 跟着电机操控技能的不断更新和传感器技能的快速开展，要求PMSM的功能也需求愈加安稳牢靠。 但是，操控办法是进步永磁同步电动机功能的关键因素 [1] 。 因而，研讨永磁同步电动机的操控办法具有重要的现实意义。
永磁同步电动机的无传感器操控战略是根据永磁同步电动机的根本模型对定子绕组的电压和电流进行采样，以完成转子方位和转速的预算，但这些办法只在必定的转速规模内适用，关于在全规模内的无传感器操控却研讨甚少 [2] 。
针对上述存在的问题，提出了一种根据全程调速的永磁同步电机无传感器操控战略。当PMSM以中速和高速运转时，滑动调查器用于盯梢和估量转子的方位和速度。当PMSM以低速运转时，运用高频信号注入办法来检测转子的方位和转速。 经过高频信号注入办法检测到的转子实践方位与理论猜测方位十分挨近，这关于进步体系的全体呼应具有重要意义。
1 滑膜观测法在永磁同步电机中的运用
1.1 数学模型树立的前提条件
永磁同步电动机在发动进程中会出现电磁感应现象。首要树立永磁同步电动机是数学模型，先设PMSM需满意以下条件：
1）气隙磁场呈正弦散布，疏忽谐波，三相绕组的空间相位为120°角；
2）疏忽温度和频率改变对绕组影响；
3）电机中的磁芯饱满磁滞损耗的影响疏忽不计。
1.2 滑膜观测器的数学模型
PMSM在d、q停止坐标系下的数学模型为：
式中， u d 、 u q 别离为d、q轴上的电压； i d 、 i q 别离为d、q轴上的电流； L d 、 L q 别离为d、q轴上的电感；R s 为定子电阻；ω e 为转子的电角速度；ψ f 为永磁磁链。
将式（1）经过PARK逆变换，可得数学模型为：
其间，电机反电动式模型为：
式中，u α 、u β 别离为电压在 α 、 β 轴的电压；i α 、i β 别离为电流在 α 、 β 轴的电流； e α 、 e β 别离为 α 、β 轴反电动势； θ e 为转子的电视点。
则滑膜观测器方程为：
式中， i α 、 iβ —电流观测值； i α 、 i β—电流观测差错；K—滑膜系数；sign (x)可表示为：
界说滑膜切面为s α ，当选用函数切换操控的滑膜变结构，则
当体系转换到滑膜状况时，则有 s(x)=0，d/dt*s(x)=0。经过有限的时刻距离， i α = 0 ， i β= 0 ，令d/dt*i α(x)=0，d/dt* i β=0可得：
可得到转子方位和转速的预算值为 [3-5] ：
2 高频电压信号注入法在永磁同步电机中的运用
2.1 高频电压信号注入法原理
高频电压信号操控体系 [6] 如图1所示。在图中，BPF是一个带通滤波器（答应波在特定频段经过）。体系的供电办法是经过PWM电压源逆变器，这样就不会从头调全体系的结构。高频电压信号直接注入PMSM的基波鼓励，然后电机发生高频电流信号，锁相环办法用于处理发生的高频信号得到方位转子的信息 [7] 。
其间， αβ 坐标系中， v αβ 代表电压矢量； i αβ 代表电流矢量；上标*代表给定量； ω r ω r 表转子旋转角速度； θ代表转子方位角 [8] 。
2.2 永磁同步电机高频数学模型
当注入高频信号时，疏忽PMSM的定子电阻和旋转电压和感应电动势的影响 [9] 。则定子电压方程为：
高频信号注入下的凸极PMSM的电压方程为：
当注入三相高频正弦电压信号后，PMSM内发生的空间电压矢量在 α 、 β 坐标系下发生的电压方程：
U i 为幅值； ω i 为角频率，而且ωi≥ωr高频的呼应电流方程，可表示为：
经过外差法得到转子信息的差错信号：
3 混合战略在永磁同步电机中的运用
3.1 根据低速到中高速操控体系规划
根据低速到中高速操控体系规划框图如图2所示，在低速状况下选用高频电压注入法，中、高速状况下选用滑膜观测器法对转速和方位的精确预算。最终将以上两种办法混合处理，采纳结合各自优势的复合操控办法是完成永磁同步电机全规模无传感度操控的有用途径 [10-11] 。
其间SMC操控器是用来操控电机的发动，加快形式下，闭环反馈体系中使电机以安稳的速率坚持加快。使电机从低速平稳过渡到中、高速。
针对这种状况，当选用混合形式时：电机运转在20%的额外转速以下，切入高频电压注入法；在20%-40%的额外转速之间，经过混合算法对高频电压注入法和滑膜观测器法取得转子的方位和转速预算值进行线性份额均值处理 [12] ；在40%的额外转速以上，切掉高频电压注入法，只选用滑膜观测器法进行预算；则转子方位角可表示为：
k ω 为瞬时速度对额外速度的百分比，当速度抵达40%时，选用滑膜观测法独立运转。
4 仿真验证
在SIMULINK中建立仿真模型，把混合战略操控与滑膜观测法、高频电压信号注入法别离做比照，验证混合战略的优越性,PMSM参数如表1所示。
图3为根据滑膜观测器操控的转速观测估量与实践转速呼应曲线，从图中可以看出，体系操控战略的转速期望值为1000 r/min，在开端发动时，转速最大为1050 r/min，超调为5%，回归稳态的时刻大致为0.025 s时。在0.2 s时加上1 N.m的负载，在0.21 s处从头抵达稳态。
该种办法的转速观测估量曲线与实践转速曲线差值如图4，从图中可以看出，在开端发动时，其差值在0.01 s处抵达最大为18 转。在大约0.2 s参加负载骤变是坐落0.21 s时差值较大，为大约为20 转，恢复时刻运用大约为0.085 s。
从图5中可知该种办法的方位观测估量曲线与实践转速曲线，可以看出方位的估量值和实践值的差错趋近于零。
图6为根据高频信号注入法操控的转速观测估量与实践转速呼应曲线，从图中可以看出，在开端发动时，转速最大为125 r/min，超调为25%，回归稳态的时刻大致为0.025 s时。在0.2 s时加上1 N·m的负载，在0.21s处从头抵达稳态。
这种办法的转速观测估量曲线与实践转速曲线差值如图7，可以看出转速的估量值和实践值的差错趋近于零。
从图8可知高频信号注入法所观测的转子方位估量值与实践值差错较小，最大时约为0.096 rad。
图9为混合操控战略下的转速观测估量与实践转速呼应曲线，刚发动时，初始速度为100 r/min，0.13 s后开端进入混合预算形式，可以由低速滑润进入中高速区域。0.17 s后，电机可以安稳运转在1 000 r/min.运转到0.29 s后转速开端下降，在0.2 s时加上1 N·m的负载，在0.22 s处从头达平稳。整个仿真涵盖了低速到中速，高速到中速的运转状况进程，仿真成果可以验证PMSM全程无传感器操控在混合操控战略下的作用。 可以看出，估量的转子方位与在混合战略下调查到的实践值之间的差错在必定规模内很小，而且可以始终坚持高精度，鲁棒性杰出。
图10为该种办法的转速观测估量与实践转速差错曲线，可以看出在电机刚起步时，差值在0.02 s最大抵达35转。抵达安稳状况经过大约为0.05 s，在混合操控战略下差错较小，整个输出转速波形出现杰出的收敛作用。
从图11可知此法所观测的转子方位估量值与实践值差错十分小，最大时约为0.25 rad。
5 定论
本文经过对PMSM低速到中高速全速规模运转时的不同操控办法进行研讨和剖析，归纳了PMSM的无传感器操控体系的全体方案规划，具体介绍了高频信号注入法、滑0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4Times(s)
-10010203040观测与实践转速差错 Nr(r/min)
图10 转速观测估量与实践转速差错曲线0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4Times(s)
-0.3-0.2-0.100.10.2转子方位估量值与实践值差值 (rad)
图11 根据混合战略下操控的转子方位观测估量与实践值差值曲线膜观测法在永磁同步电机中的各自运用，剖析了它们互相的优势与缺陷，提出了一种将高频信号注入法、滑膜观测法相结合的混合操控办法。仿真成果表明，将高频信号注入法和滑膜观测器法有机的结合在一起，在电机操控中能很好的对转子方位和转速进行盯梢处理，与独自运用高频信号注入法、滑膜观测法比较盯梢的速度快，而且在整个盯梢进程中，有很强的抗扰才能，鲁棒性较好，PMSM可以完成低速向高速安稳切换。
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作者简介：
王卫（1995-），男，湖南工业大学硕士生，首要研讨方向:电力电子与电力传动。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第8期第74页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
