基于锁频环前馈的PMSM位置估计误差抑制_张芮嘉.pdf

第 卷第期 年月电 力电子技术，基于锁频环前馈的位置估计误差抑制张芮嘉，胡勤 丰，谷继天，罗云升（南 京航空航天 大学，自动 化 学 院，江苏南京）摘要：基于滑模观 测器与锁相环（）的永磁同步电机（）无位置传感器控制 系统，其矢量控制性能 与转子位置的精度密切相关。针对传统在斜 坡加减速过 程中存在位置估计稳态误差的问题，提出一种基于锁频环的前馈锁相 环（）。通过在复系数滤 波器的基础上构造锁 频环（），实现复系数 滤 波器中心频率的自适 应调节，并将的估计角速度引入，提高位置估 计精 度。理论分 析与实验结果表明：所 提出的能够有效抑制斜坡加减速过程中的位置估计稳态 误差，提髙无位置传感器控制性能。关 键词：永磁同步电机；位置估计误 差；锁 频环中 图分类号：文献标识 码：文章 编 号：（），（，）：（）？（），（）（），？：；引言的无位置传感器控制技 术能够 减小体积、降低成本、提高系统可靠性，已成 为电机控制领域研宄热 点。而的矢 量控制 性能直接受转子位置精度的影响，因此对 位置估 计误 差抑制方法的研究具有重要意 义在中高速域，采用滑模观测器结合的位置估计方案应用最为广泛由于传统是型系统，跟踪 斜 坡 转速时估计位置存在稳态误差，在电机需要频繁 加减速的工况中应用时存在严重问题。文献在传 统中使用二阶控制器作为环路滤波器，能够很好的处理转速斜坡跟踪问题，但参数 整定较复杂，稳定性受转速影响。文献提出采用反电动势进行转速前馈，有效减小了斜坡加减速过程中的估计位定稿日期：作者简介：张芮嘉（），女，硕 士研究生，研究 方 向为永磁同步电机控制。置稳态误差，但将滑模观测器估计反电动势中的大量谐波引入了，恶化估计转速中的谐波误差。针对上述问题，此处提出。首先根据误 差传递函数 分析了传统跟踪 斜坡转 速信号 时的位置估计稳 态 误差；其次，在 复系数滤波器的基础上构造，实现复 系数滤波器中心频率的自适应调节；最后，将的估计角速度前馈到中，提高斜 坡加减速过程中的位置估计精 度。无位 置传感器控制表贴式 永磁同步电机数学模型表贴 式在坐标系 下数学模型为：（），（）（）式中：和为，尽轴的电压、电流和反电动势；和为电机定子绕组的电阻和电感。反电动势 的表达式为：，少（）式中：，叫和艮为永磁体磁链、电 角速度 和电角度。基于锁频环前馈的位置估计误差抑制滑模观测器设计根据式（），将滑模观测器设计 为：，（）（）式中：符 号为估计值；符 号“？”为估计误差值，为滑模增益。选择滑模量为：（）将 式（）和式（）作差得到电流 误 差 方程：）根据李雅普 诺夫第二法则，观测器稳定 的条件为丨，化当滑模量到达滑 模面时，根 据式（）可得在两 相静止坐标系下的等效反电动势：？，（），？，：（）（）复系数滤波器设计由于滑模观测器的不连续开关特性，等效反电动势中含 有 高 频 抖振影响位置估 计精度，需要进行滤波处理。传 统的低通滤波器在滤除高频 抖振的同时，会造成估计反电动势的相位滞后 和幅值衰减问题。因此，此处采用复系数 滤波器代替传统低通滤波器进行滤波，其 传递函数为：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：，为复系数滤波器的中心频率；，为复系数 滤波器的截止频率。复系 数滤波器结构 框图如图所示。图复 系数滤波器结构框图 根据式（）可知，复系数滤波器在中心频 率处既无幅值衰减也无相位滞后，因此当复系数滤波器的中心频 率 等于输入信号的频 率时，能够实现反电动势的准 确估 计。传统原理传统能 够 实现转子位置与转 速的估计，为了保持带 宽稳定，对其 进行归一化处理，归一化后的传统等效结构框图如图所示。图传统 框图 基于的前馈 锁相环传统位置估计误差分 析由图可知传统为型系统。为了分 析的位置估计误差，写出其误差传递函数：（）（）（）（）（）式中：久为位置估计误差；尺，和尺，为的参数。当给定转速为斜坡信号（）力时，位置为 加速 度信 号色其中为角加速度。根据 终值定理，此时传 统 的位置估计稳态误差为：（），（）（）（）由式（）可，传统跟踪 斜坡转速信号 时的位置估 计 稳态误差与角加速度成正比，与尺；成 反比。增 加反可以降低 这一误差，但 无 法 从原理上将其消 除，并且太大 会导致带宽过高，估计转速和位置信号中的谐 波误差会 被放大，存 在 抗干扰性降低问题。设计为了给提供前馈 转速以及实现复系数滤波器中心频 率的自适应调节，在复 系 数滤波器的基础上构造。根据图，选择与心，厶与作为的输入信 号，构造一个负反馈调节器，以实现自适应调节，使得 的估 计角速度（即与实际角速度叫（即的频 率）匹配，即的结 构框图如图所示，为负反馈系数。为了使用线性控制方法对系统进行 建模分析，需要对进行线性化处理。根据图和图列出复系数滤波器的状 态 方程与的控制方程：尤（）（）（）尤一叫（）（？），（）（）式中：为状态 变量，：丨，：，；图的波 特图 稳态时有，根据 式（）和式（）可得的控 制方程为：（）（）（）令增益厂），可得：）（）（）根 据李雅 普 诺夫稳定性理论，当 即时 系统稳定，此时估 计角速 度收敛于实际角速度。锁频环传递函数为：（）（）（）（）（）基于的前 馈 锁相环设计针对斜坡加减速时传统的估计位置存在较大 稳 态 误差的问题，提出。通过在传统中增 加一条由估计角速度提供的前向通路，提 高加减速过 程中的转速跟踪 速度，减小位置估计误差。其中，转速主 要由跟踪，而 用于 消除 稳 态与 动态过程中位置和转速跟踪误差。等 效框图如图所示。图等效框图 的闭环传递函数为：（）（）（）（）（）式中：？（厂尺士（：尺厂仏。估计位置的误差传递函数为：（）（）（）（）（）当给定转速为斜坡信 号 时，根 据终值定理，此时的位置估计稳态误差为：？（）（）（）（）可见，可以消除跟踪 斜 坡转速信号时的位置估计稳态误 差，实现转子位置的准确估计。为了分析加入前馈通路对系统带宽的影响，图为尺，在个不同值（对应常规）时闭环传递函数式（）的波特图。（格），（格）（）传统（）图带宽的实验结果（格）（格）（）统（）图带宽的实验结果由图可知，前馈通路增 加了系统 带宽，提高了的动态跟随性能，并且值越大，系统带宽越高，动态跟随性能越好。实验 验证图为采用的位置估计结构框图。搭 建 基于 的硬件实验平台，开关频率 为，直流母线电压为，死区时间为，实验电机是一台表贴式，具 体 参 数：额定转速为；额定转矩为；额定 相电流有效值为；极 对 数为；定子绕组相电阻为；交直轴电感为；永磁磁链 为；等效转动惯量 为；等效 粘滞系数为）。为了验证所提出的算法在斜坡加减速过程中的位置估计误差抑制效果，在带宽分别为与对应）条件下，对传 统与两种算法进行实验，转速以？的加速度从斜坡上升到（额定转速）再斜坡下降 到，实 验 结果见图，。第 卷第期电 力 电子技术，年月丨刼涅筆（垄）（途、）（擎（渲！）（在，）（格）（）厂由图可知，采用传统时，加 速过程中的最大位置估 计 误差达到。由图 可知，当带宽增加 时，加 减速过程的位置估计误差 减小，但稳态误差依然 存 在，并且此时转速波动大大增加。由图可知，采用所 提出的时，加速过程中的最大 位置估计误差减小 到，并且稳态误差被有效消 除。实验结果初 步验证了算法的有效性。为了验证不同值对 算法的影响，在带宽为值 分别为和条件下，对所提出的算法进行 实验，实验波形如图所示。可见，值越大系 统带宽越高，位置估计误 差尖峰越小，但估计转速谐波误 差越大，与理论分析一致。：，载（格）图不同值的实验结果 为了验证所提出的 算法在 带载工况下的位置估 计误差 抑制 效果，在额定负载工况下，带宽为，对传统与两种 算法 进行 实验，实 验 结果如图所示。图突加突卸负载 实验 结果 综上所述，此处进行了较 为全面的实验 对比，有效验证了在斜坡加 减速过程中对位置估计误差进行抑 制的必要性，以及所提算法的有效 性。结论针对在 斜坡加减 速过程中传统存在位置估计稳态误差的问题，提出一种算法，在复 系 数滤波器的基础上构造一个，并将的估计角速度引入。实验结果验证了算法能够有 效消除跟踪斜 坡转速时的位置估计稳态误差，提 高了加减速时 的位置估计精度。该方法具 有较 高的普适性，不 仅适用于基于滑模观测器的无 位置传 感器控制，也适用于其 他基于反电动势观测器的无位置传感器控制。参考文献刘计龙，肖飞，沈洋，等永磁同步电机无位置传感器控制技术研究综述电工技术学报，（）：姜燕，李博文，吴轩，等基于比例谐 振滤波的改进永磁同步电机 转子 位置观测器电工技术 学报，（）：宋桂英，李佳伦结合改进滑模观测器的无传感器复合控制电机与控制 学报，（）：，？：，？，（）：刘计龙，肖飞，麦志勤，等控制 结合滑模观测器的永 磁同步电机 无位 置传 感器复合控制策略电工技 术学报，（）：步验证了所提算法在突加突 卸负载的动态工况下具有良好性能。（格）（格）（）传统（）图带宽的带载实验结果？由图可知，采用传统时，加 速过程的最大相电流在处达到。由图 可见，采用所 提出的时，加 速过程中处对应的相电流减小为。实验结 果 进一步验证了算法的有效性。为了验证所提出的 算法在 突变负载工况下 的有 效性，在下突加突 卸额定 负载，实验结 果如图所示。可见，加载后 转速快速回升，估 计位置误 差基本 为 零，进一（格）（）厂基于锁频环前馈的位置估计误差抑制擎）、（笨）隨￥）、（逛？（途（途（安？（寶（逭