永磁同步电机矢量控制双滑模模型参考 自适应系统转速辨识

所需积分/C币:50 2018-10-15 19:59:45 247KB PDF
收藏 收藏
举报

该文提出了一种基于双滑模模型参考自适应系 统(model reference adaptive system,MRAS)的永磁同步电机 无位置传感器控制策略。其中,参考模型为永磁电机本身, 可调模型为永磁电机电流模型。利用两模型输出的偏差构造 了 2 个滑模面,将通过滑模算法获得的等效控制进行运算即 可获得电机的转速和转子位置角度,并分别用于矢量控制系 统的速度调节和坐标变换。在理论分析的基础上进行了仿真 研究,仿真结果表明所提出的观测方法是有效的.
第6期 王庆龙等:永磁同步电机矢量控制双滑模模型参考自适应系统转速辨识 899 电角度均由观测器获取;电流反馈量动i通过检形式: 测电机三相定子电流l、i、经克拉克( Clarke)变 y 换和派克变换获得。转速给定ω与转速反馈量o的 L=A L|+b|×v L (6 偏差经P调节器后输出转矩电流参考值,动与i 的偏差经P调节器后输出解耦电压n;激磁电流 (米用=0控制策略)与的偏差经P调节器后式中:A「-R/LO R/∠/;b=1L。 输出解耦电压l;l2和m经派克逆变换得到v及 设: 根据m及v进行 SVPWM调制产生电压源变 换器的信号,实现对电机的运行控制。 L 2双滑模MRAS转速观测方法 Ry 21双滑模MRAS基本结构 L 双滑模MRAS辨识转速的主要思想是选取永 U。=l 磁冋步电机本体作为参考模型,可词模型为永磁同且=[ii,n'=[l,则式(6)可以写为 步电机的电流模型,利用两模型输出的参考电流与 佔计电流偏差构造了2个滑模面,利用滑模算法获 i'=Ai+bu (8) 得等效的d、q轴电流,进而通过一定算法获得转 由于式(8)由包含转速信息的PMSM定子电压 了转速和位置角度,并分别用于矢量控制系统的速方程(1)转化而来,故可选作为可调模型,如此可构 度调节和坐标变换,使得永磁同步电机受到温升等 造自适应模型如下 引起的电阻参数变化及负载突变等影响的实际系 统,其转速能够眼踪给定,即使得: d +h (9) dt i? lime(t)=0 式中:e()=i(1)-i();c()=i(t0)-()=0,其 式中:4-R/L 分别为定子电 O-R/L 中上标“^”表小估计值。 流a、q轴分量的估计值;ω为辨识的定子角速度 基于上述思想,本文提出的双滑模MRAS转速 式(9)可以写为 观测器结构框图如图2所示。其中,参考模型选取 永磁同步电机本体,可调模型是由包含转速信息的 +bu (10) PMSM定子电压方程(1)转化而米的 定义电流偏差矢量 L la e=t (11) 参考模型 3s/2r变换 则将式(8)减去式(10),可得偏差状态方程: i 3s/2r变换 可调模型|2 e=Ae-(A-a) 2 分环节 22.2滑模设计 速度 -miss( 定义如下滑模面矢量: - Msgn( s=e 图2双滑模MRAS转速辨识结构 山式(11),可得转子参考系双滑模面 Fig 2 Structure of double sliding modc MRAS Speed identification s=2 (14) 22双滑模MRAS理论分析 22.1PMSM偏差状态方程 釆用常值切换控制法,则可以得到滑模观测器 根据式(1)、(2)可得PMSM定子电流方程矩阵方程: 21994-2016ChinaAcademicJournalElcctronicPublishingHousc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct 900 国电机工程学报 第34卷 dddd M, sgn(S,)+bud (15)其额定参数为P=11kW、相电压220V、额定转速 =3000rmin,额定输出转矩re=3Nm,定子电阻 M2sgn(S)+bu′ (16)R=287592,绕组电感L=L=8.5mH,转动惯量 0.0008kgm2,永磁体憾通%=0.175Wb,极对数 式中:M1、M2为大于0的常数;sgn()为符号函数 22.3滑模存在和到达条件分析 图3为转速变化时,采用本文所述方法的仿真 对切换函数ss求导,)考虑式(1)、(2)、()、结果。图3a)表明,在50ms时转速由400rads阶 (15)(16),可得 跃到800rad/s,辨识转速能很好地跟踪实际转速: =f(4,O,y1,R,L)-M1sg(s)(17)图3()为相应的转了位置角度观测波形。此外,起 5=1(n,4,mv,R,L)-M2sgm()(18)动瞬间为了让电机能够顺利起动而有意强加给转 子一个较大的初始位置。 式中后、f均为讼i、O、、R及L的函数。 图4为PMSM参数变化时,采用本文所述方法 由于、f只有大于0的上限,则存在充分大的仿真波形。当定子电阻由2.8759增大至3452 的正常数M1、M2满足式(17)、(18)滑模存在的充分 (增加20%时所观测到的速度波形如图4(a)所示 条件,使得滑模被约束在2个滑模面的相交部分, 即满足如下不等式: 观测速度 SS.<0 (19) 400 20实测述度 滑模发生后,有s=1、S=1,且观测电流等于 参考电流,即在滑模面上运动时有: (a)转了速度 e=e=i-i=0 (20) A…-.4--4-4-44- 224转速计算 8200 等效控制可通过对切换函数s、S进行滤波获 100 得,并用ik、ie表示。比较观测器方程式(15 0 60 (16)及式(1)、(2),可得等效控制矩阵形式 t/ms (b)转了位置 R R L=L 图3转速变化时的仿真波形 ig. 3 Simulation waveforms of speed change 式(21)表明,在电机受到激励时,则矩阵A非 1000 00 奇异,即deA)=2+t2≠0,式(21)有唯一解。由 观测速度 式()可获得转子速度辨识算法如卜: 200实测速度 ( 100 (22) Yr (a)转子速度 转子位置电角度可利用式(23)获得 6=|dt (23 0 3仿真及结果分析 40 利用 MATLAB71仿真软件,在 SIMULⅠNK环 b)转子位置 境下,对所提出的辨识算法的有效性进行了仿真研 图4转子电阻变化时的仿真波形 究。仿真用PMSM模型为 SIMULINK中内部提供 Fig 4 Simulation waveforms for rotor resistance change 21994-2016ChinaAcademicJournalElcctronicPublishingHousc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct 第6期 王庆龙等:永磁同步电机矢量控制双滑模模型参考自适应系统转速辨识 901 可以看出,定了电阻增加后在转速突变瞬间有个参考文献 比较大的峰值,但这个峰值能够在短时间内恢复到 [I Siva Kumar J V, Sai Kumar P, Rambabu M. model 较小的波动范围,因此并不会景响到电机的动态性 reference adaptive controller-based speed and g-axis 能,还可以让电机转速迅速改变,显小出定子电阻 inductance estimation for permanent magnet synchronous 增加后速度仍然比较平滑,且跟踪性能较好,表明 motor drive by utilizing reactive power[C]/2011 所提的转速观测方法对电机参数变化具有较强鲁棒 International Confcrcncc on Encrgy, Automation, and Signal (ceas 2011). Bhubaneswar, Odisha, India 性:图4(b)为相应的转子位置角度观测波形 IEEE,2011:1-6 图5为负载变化时的仿真波形。给定速度为 [2] Zhuang Xu, Rahman M F. An adaptive sliding stator flux 600rads,负载初始转矩T=0Nm,于50ms时加 observer for a direct torque controlled ipm synchronous 入4Nm的负载转矩。图5(a)为观测到的转速波形 motor drive[. IEEE Transactions on Industrial 可以看出,稳态时实际转速和观测转速吻合,只是 Electronics,2007,54(5):2398-2406 在扰动出现的瞬间转速有波动,表明本文所提的转 [3]黄雷,赵光宙,年珩.基于扩展反电动势估算的内拓式 永磁同步电动机无传感器控制「.中国电机工程学报, 速观测器有较强的抗扰能力:图5(b)为相应的转子 2007,27(9):56-63 位置角度观测波形。 Huang Lei, Zhao Guangzhou, Nian Heng. Sensorless control of interior permanent magnet synchronous motor 1000 lded ele Proceedings of the CSEE, 2007, 27(9): 59-63 (in Chinese 观测速度 [4]刘颖,周波,李帅,等.转子磁钢表贴式水磁同步电机 实测速度 转子初始位置检测[.中国电机工程学报,2011 31(18):48-54 t'ms (a)转子速度 Liu Ying, Zhou Bo, Li Shuai, et al. Initial rotor position detection of surface mounted permanent magnet 400 synchronous motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2011 300b 31(18):48-54( in Chinese) [S]郭志荣,谢顺依,高巍,带阻尼绕组的凸极永磁同步电 100 机转子位置估计门.中国电机工程学报,2009,29(36): 55-59 Guo Zhirong, Xie Shunyi, Gao Wei. Rotor position (b)转子位置 estimation of salient-pole permanent magnet synchronous 图5负载扰动时的仿真波形 motor with damper windings[J]. Procccdings of thc CSEE, 2009, 29(36): 55-59(in Chinese) Fig 5 Simulation waveforms for load change [6] Piippo A, Hinkkanen M, Luomi J. Analysis of an 4结论 adaptive observer for sensorless control of interior permanent magnet synchronous motors[J]. IEEE 本文提出的双滑模MRAS速度辨识方法利用 Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(2) PMSM本体和其电流模型分别作为参考模型和可 570-576 调模型,利用两模型输出的参考电流与佔计电沆偏[ Gilbert Foc。, Rahman M F: Sensorless sliding-mode 差构造了两个滑模面。将通过滑模算法得到的等效 MTPA control of an IPM synchronous motor drive using a sliding-mode observer and HF signal injection]. IEEE d、q轴电沇进行运算,进而状得电机的转速和转了 Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(4) 位置角度。本策略在电机转速、负载转矩、电机参 1270-1278 数等变化情况下的仿真研究表明: [8 Harnefors L, Hinkkanen M. Complete stability of 1)系统动态、稳态性能良好,速度及位置辨 duced -order and full order obs rless Im 识精度较高; drives[]. IEEE Transactions on Industrial Electronics 108,55(3):1319-132 2)对电机参数变化及负载转矩波动具有较强p9 Germano A, Parasiliti f, Tursini M. Sensorless speed 的鲁棒性 control of a pm synchronous motor drive by kalman 3)算法简单,易于工程实现。 filter[C]/Proceedings of International Conference on 21994-2016ChinaAcademicJournalElcctronicPublishingHousc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct 902 国电机工程学报 第34卷 Electrical Machines (ICEM94). Paris, France: IEEE [16 Jain M, Singh M, Chandra A, et al. Sensorless control l994:540-544 of permanent magnet synchronous motor using ANFIS [10 Ciabattoni L, Corradini M L, Grisostomi M, et al bascd MRAS[C]/2011 IEEE International Elcctric Adaptive extended Kalman filter for robust sensorless Machines Drives Conference (IEMDC). Niagara control of pmsm drives cl/2011 50th IEEE Conference Falls, Canada IEEE, 2011: 599-606 on Decision and Control and European Control「1η王庆龙,张崇巍,张兴,基于变结构模型参考自适应系 Conference(CDC-ECC). Orlando, FL, USA: IEEE 统的永磁同步电机转速辨识[J.中国电机工程学报, 20ll:12-15 2008,28(9):71-75 [I]陈振,刘向东,靳永强,等,采用扩屐卡尔曼滤波磁链 Wang Qinglong, Zhang Chongwci, Zhang Xing. Variable 观测器的水磁同步电机直接转矩控制[门4国电机工程 structure MRAs speed identification for permanent 字报,2008,28(33):75-81. magnet synchronous motor]. Proceedings of the CSee Chen zhen, Liu xiangdong, Jin Yongqiang, et al. Direct 2008,28(9):71-75( in Chinese) torque control of permanent magnet synchronous motors [18] Chen Wei, Chen Yankun, Li Hongfeng, et al. Sensorless based on extended Kalman filter observer of flux control of permanent magnet synchronous motor based on linkagc[J]. Procccdings of the CSEE, 2008, 28(33): sliding mode observer[C)/2012 IEE 7th International 75-8l(in Chinese Powcr electronics and motion control conference- [12]万军,王建海,马彦兵,等.基于交互式模型参考自适 ECCE ASia. Harbin, China: IEEE, 2012: 2582-2586 应系统策略的无速度传感器矢量控制系统[J.中国电机「1η鲁文其,诩育文,杜祤杨,等.永磁冋同步电机新型滑模 工程学报,2005,25(23):163-166 观测器无传感器矢量控制调速系统中国电机工程学 Wan Jun, ang Jianhai, Ma Yanbing, et al. Speed 报,2010,30(33):78-83 sensorless vcctor control systcm bascd on mutual MRAS Lu Wenqi, Ilu Yuwen, Du Xuyang, et al. Sensorless vector cheme[j]. proceedings of the Csee, 2005, 25(23): control using a novel sliding mode observer for PMSM 163-166(in Chinese speed control system[J]. Proceedings of the CSEE, 2010 [13 Eskola M, Tuusa H. Sensorless control of a permanent 30(33: 78-83(in Chinese) magnet synchronous motor--application to a hoist drive[ C]/Proceedings of PESC 2002-Power Electronics 收稿日期:2013-07-20。 Specialists Conference. Cairns, Qld, Australia: IEEE, 作者简介: 2002:967-972 王庆龙(1968),呖,博士,副教授,主 [14]Kim K H, Chung S K, Moon G w, et al. Parameter 要研究方向为电力电子与电力传动、风力 estimation and control for permanent magnet synchronous 发电,wangqlong(@tom.com; motor drive using model reference adaptive technique 张兴(1963),男,傅上,教授,博上生 [C]/Proceeding of 21 IEEE-IECON 1995. Orlando 王庆龙导师,主要研究方向为电力电子与电力传 FL,USA:EE,1995:387-392 动、风力发电、光伏发电; [15 Maiti S, Chakraborty C. Reactive power based speed 张崇巍(1945),男,教授,博士生导师 sensorless controller for permanent magnet synchronous 主要研宄方向为电力电子与电力传动、控 motor drive[C]/IEEE International Conference on 制理论与控制工程。 Industrial Technology. Bombay, India: IEEE, 2006 (责任编辑李婧妍) 274-279 21994-2016ChinaAcademicJournalElcctronicPublishingHousc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct

...展开详情
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
    抢沙发
    一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
    关注 私信 TA的资源
    上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐