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      控     制     与     决     策

24 卷

以定子电流和反电动势作为状态变量时

, 理想

表贴式永磁同步电机可表示为

[ 1]

Û

x ( t) = 

Ax ( t) + Š

Bu( t) ,

y( t) = Cx ( t) .

( 1)

式中

: x( t) = [ i

A

, i

B

, e

A

, e

B

]

T

A, B轴的定子电流和

反电动势

; e

A

= - K

e

X

r

sin H

r

; e

B

= - K

e

X

r

cos H

r

; K

e

反电动势常数

; u( t) = [ u

A

, u

B

]

T

为定子

A, B轴电压;

R

s

, L

s

分 别 为 定 子 电 阻 和 电 感

. 系 统 矩 阵 

A =

A B

0

D

, Š

B = [- B   0]

T

, C = [ I   0] , 二维矩阵 A

= - R

s

I / L

s

, B = I/ L

s

, D = X

r

J , I =

1 0
0 1

, J =

0 - 1
1

0

.

在获取测量的定子电压和电流分量后

, 依据上

述模型设计基于滑模变结构的观测器来估计转子实

际转速和位置

, 并利用变结构控制器实现对电机参

数摄动和外部扰动不敏感的无传感器鲁棒控制

.

2. 2   观测器设计

由式

( 1) 中的状态和输出方程, 构造滑模观测

方程

Û

x ( t) = 

A

^

x^ ( t) + Š

Bu( t) - K sgn( Cx^ - y) . ( 2)

式中

: x^( t) = [^i

A

, ^i

B

, ^e

A

, ^e

B

]

T

A, B轴的定子电流和

反 电 动 势 观 测 值

; K = [ K

1

, - h

1

K

1

]

T

; K

1

=

k

1

I / L

s

; 矩阵 

A

^

=

A B

0

D

^

; D^ =

0 - ^X

r

^X

r

0

; h

1

k

1

为正的常数

, 决定了观测器的开关增益; sgn( #)

为符号函数

.

用观测方程

( 2) 减 去 PMSM 的状 态方程( 1) ,

可得观测误差的动态方程为

„

i

#

s

= A„

i

s

+ B„

e - K

1

sgn(„

i

s

) ,

( 3)

„

e

#

= “

e + h

1

K sgn( „

e) ,

( 4)

式中上标

/ ~ 0 为变量的观测值与实际值之差. 给出

建立在定子电流误差上的滑动超平面

S

1

= „

i

s

= ^i

s

-

i

s

. 定义 Lyapunov 函数 V

1

且其导数 Û

V

1

满足下列条

:

Û

V

1

= S

T

1

Û

S

1

= [„

i

A

  „

i

B

] # [„

i

#

A

  „

i

#

B

]

T

< 0.

( 5)

即当 „

i

A

„

i

#

A

< 0, „

i

B

„

i

#

B

< 0 时, 滑模观测器进入滑模状

, 由此可推得

„

i

A

„

i

#

A

= „

i

A

[

-

R

s

L

s

„

i

A

+ 1

L

s

„

e

A

-

k

1

L

s

sgn(„

i

A

)

]

=

     

1

L

s

„

i

A

( „

e

A

- k

1

) -

R

s

L

s

„

i

2

A

, „

i

A

\ 0;

1

L

s

„

i

A

( „

e

A

+ k

1

) -

R

s

L

s

„

i

2

A

, „

i

A

< 0.

( 6)

„

i

B

„

i

#

B

= „

i

B

[

-

R

s

L

s

„

i

B

+

1

L

s

„

e

B

-

k

1

L

s

sgn(„

i

B

)

]

=

     

1

L

s

„

i

B

( „

e

B

- k

1

) -

R

s

L

s

„

i

2

B

, „

i

B

\ 0;

1

L

s

„

i

B

( „

e

B

+ k

1

) -

R

s

L

s

„

i

2

B

, „

i

B

< 0.

( 7)

满足式

( 6) 和( 7) 中的 k

1

取值范围为

k

1

> max( | „

e

A

| , | „

e

B

| ) .

( 8)

    为满足上述条件, 开关增益 k

1

必须足够大

. 但

k

1

过大

, 会增加抖振噪声, 导致不必要的估计误差,

故选用如下自适应律

:

k

1

= w „

e

2

A

+ „

e

2

B

,

( 9)

式中

w 为正的比例因子. 由式( 9) 确定的 k

1

满足不

等式

( 8) , 此时系统进入滑模状态, 有 S

1

= Û

S

1

= 0.

进一 步

, 求 得 等 效 的 反 电 动 势 误 差 为 B„

e =

K

1

sgn( „

i

s

) , 这时可将反电动势误差方程转化为

„

e

#

A

= - ^X

r

„

e

B

+ X

r

„

e

B

- h

2

„

e

A

,

( 10)

„

e

#

B

= ^X

r

„

e

A

- X

r

„

e

A

- h

2

„

e

B

,

( 11)

式中

h

2

为正的常数

. 而转速误差方程为

‰

X

#

= „

e

A

^e

B

- „

e

B

^e

A

.

( 12)

    经低通滤波器将观测变量中的高次谐波滤除

, 得到反电动势为

^e

#

A

= - ^X

r

^e

B

- h

2

„

e

A

,

( 13)

^e

#

B

= ^X

r

^e

A

- h

2

„

e

B

.

( 14)

    式( 13) 和( 14) 即构成了反电动势观测值的自

适应律

. 同样, 若忽略采样周期内转速的变动, 可推

得转速估计方程为

^X

#

r

= „

e

A

^e

B

- „

e

B

^e

A

.

( 15)

    式( 15) 即为转速估计的自适应律. 通过一个 PI

积分环节

, 可计算出估计转速, 对转速进行积分即可

得到转子位置

H

r

, 这里使用延迟的一阶积分环节代

替纯积分环节求取转子位置

.

为证明 反 电 动 势 观 测 方 程 的 稳 定 性

, 选 取

Lyapunov 函数

V

2

= 0. 5( „

e

2

A

+ „

e

2

B

+ ‰

X

2

r

) .

( 16)

则其导数为

Û

V

2

= „

e

A

„

e

#

A

+ „

e

B

„

e

#

B

+ ‰

X

r

‰

X

#

r

=

e

B

^e

A

‰

X

r

- „

e

A

^e

B

‰

X

r

+ X

r

( e

B

„

e

A

- e

A

„

e

B

) ] =

- h

2

e

2

A

+ „

e

2

B

) [ 0.

( 17)

    因 Û

V

2

满足负定的条件

, 故反电动势和转速估计

算法是稳定的

. 从式( 17) 还可看出, 转速的调整信

号取自反电动势误差信息

, 当观测反电动势值与实

际值趋于相同时

, 转速的观测值也会很快地逼近实

际值

, 滑模观测器能够自适应地工作.

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