基于磁链观测器的永磁同步电动机矢量控制系统

  唐挺，梁晖

(北京交通大学，北京100044)

    摘要：将改进型积分器作为永磁同步电动机(PMSM)的磁链观测环节，通过定子磁链观测实现对PMSM磁极位置的估计，结合矢量控制构成无位置传感器矢量控制系统。该改进型积分器消除了纯积分器带来的初值不准确、直流偏移等问题，又可以获得比低通滤波器更优的性能。仿真结果表明，PMSM无位置传感器矢量控制系统动静态胜能好，抗干扰能力强。

    关键词：永磁同步电动机；无位置传感器；磁链观测器；矢量控制；仿真

    中图分类号：TM341    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08—0040—03

0 引言

    永磁同步电动机(以下简称PMSM)具有体积小、重量轻、功率因数高、效率高、低速力矩特性好等优点而广泛应用于现代交流传动系统中。PMSM的运动控制需要精确的转子位置和速度信号来实现磁场定向。在传统的运动控制系统中，通常采用旋转变压器或光电编码器来检测速度和转子位置。这些传感器给电机的运行带来了一系列的问题，加大了电机的尺寸，降低了系统的可靠性，增加了调速系统的成本。因此，采用无位置传感器控制技术就成为PMSM调速系统的一个发展方向。

    目前，各国学者已经提出了很多电机转子速度和磁极位置的估算方法。按其理论上的特点，大致分为：(1)基于PMSM基本电磁关系估算转速的方法。该方法计算简单、动态相应快，但是对电机参数的鲁棒性差；(2)基于电机凸极效应的估计方法。该方法不依赖于电机的基波方程和参数，可在全速范围内实现位置估计，但需要额外的硬件电路，增加了系统成本和不稳定性；(3)基于各种观测器技术的位置辨识方法。这种方法动态性能好、稳定性高、参数鲁棒性强，然而算法复杂，计算量很大，受到计算机和微处理器计算速度的限制；(4)人工智能理论基础上的估算方法。它们不需要系统精确的数学模型，并且可被应用于非线性系统。但是复杂的算法、繁重的计算量及对系统控制所需的专家知识却大大限制了这些方法在实际中的应用。

    本文采用了一种改进的磁链观测器，实现对定子磁链的观测和磁极位置的估计，构成了新型的无位置传感器PMSM SVPWM系统。仿真表明，系统对电机参数的变化有良好的鲁棒性，在较低速范围区内运行时，取得良好效果。

1 PMSM的数学模型

    为建立PMSM的d—q轴数学模型，首先作如下假设：忽略电动机的铁心饱和；不计电动机中的涡流和磁滞损耗；电动机的电流为对称电流，从而得到以下简化的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程。

式中：u_d、u_q、i_d、i_q、Ψ_d、Ψ_q、L_d、L_q分别为d—g轴定子电压、电流、磁链、电感，R为定子电阻，p为极对数ω_m为转子角速度，ω_e为机械角速度，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩，Ψ₀为永磁体磁链，J为转动惯量，B为阻尼系数，p为相分算子。如图l所示。

2磁链观测器原理

    PMSM磁链模型传统上采用U-I模型：

    这种模型最为简单和常用，它在高速域精度高，很有优势，但在低速域因积分式中的Ri_s项的误差使模型精度严重下降。同时，由于采用纯积分器来估计定子磁链，存在直流偏移和初始值问题，且永磁同步电动机转子上有初始激磁，转子磁极定位方法不可避免地带来转子激磁的初始值在幅值和相位上的不准确。因此，本文引入了一种新型的改进型积分器来观测定子磁链。该改进型积分器不但适合于同步电机控制中磁链给定为一恒值，而且适合于磁链估计存在初始条件不准确的因素。

    带饱和限幅反馈的改进积分器结构如图2所示。

    该观测器是专门为交流电机磁链估计而设计的。在交流电机控