根据tanh函数的永磁同步电机无方位传感器操控研讨

　　凤志民，杭孟荀（奇瑞新能源轿车股份有限公司，安徽 芜湖 241002）

　　摘 要：为削弱传统滑膜观测器（Sliding Mode Observer, SMO）中因为操控函数的不连续性而引起的体系抖振，规划一种依据双曲正切函数tanh的改进型SMO，选用截止频率可变的战略对转子方位角进行相位补偿而且结合锁相环估量转子方位，在同步旋转d – p 轴坐标系下树立和剖析了改进型SMO，运用MATLAB/Simulink东西树立改进SMO的仿真模型。仿真试验成果表明：改进型SMO能有用削弱体系抖振，进步了转子估量的精确性，体系的动静态特性和鲁棒性得到有用的改进。

　　关键词：永磁同步电机；滑模观测器；tanh函数；锁相环

　　0 导言

　　永磁同步电动机本身具有的高牢靠性、高功率密度、高效率以及相对较小的形状体积等杰出特性^[1]，在新能源轿车中作为电动轿车的驱动体系已得到越来越广泛的运用。但是，永磁同步电机的精准操控需求转子方位信息及转速信息的实时精确获取，传统的永磁同步电动机操控是经过旋转变压器、霍尔传感器以及光电编码器等传感器来获取电机转子和转速信息的，这些机械式的传感器装置在电机上，不只添加了装置难度，且若在较差的工况环境下，传感器的检测精度会下降，对整个体系的安稳性和牢靠性发生必定的影响^[2]。跟着国家对新能源轿车产业补助支撑的逐步减缩，机械式传感器的运用也进一步添加了电驱动体系的本钱。因而，对无方位传感器操控体系的研讨具有必定的实用价值。

　　国内外学者研讨了多种无方位传感器操控办法，首要包含了卡尔曼滤波器法、模型参阅自适应法、高频信号注入法以及滑膜观测器等操控办法^[3]。其间，对体系参数改变和搅扰不灵敏的滑膜观测器办法引起了学者的广泛重视。文献^[4]中以滑模观测器为根本办法，提出运用非线性盯梢微分器和锁相环技能来获取反电动势和转子方位，经过仿真表明晰所提办法的有用性；文献^[5]在三相停止坐标系下树立了改进的滑模观测器模型，而且引进了串联低通滤波器(CLPF)及补偿环节，改进了反电动势估量信号中的高次谐波重量，使转子方位及速度的估量精度得到有用进步。

　　本文为削弱传统滑膜观测器中因为操控函数的不连续性而引起的体系抖振，规划了一种依据双曲正切函数tanh的改进型SMO，选用截止频率可变的战略对转子方位角进行相位补偿，而且结合锁相环估量转子方位，在同步旋转d-q轴坐标系下树立和剖析了改进型SMO，运用MATLAB/Simulink东西树立改进SMO的仿真模型，经过仿真试验对体系的牢靠性以及鲁棒性进行了验证。

　　1 改进SMO的规划

　　PMSM在旋转坐标系下的定子电压公式如下：

　　式（1）中， 别离为定子电压、电流、磁链的d轴和q轴重量，L_d、L_q别离为d轴和q轴电感重量，R、ψ _f、ω_e别离为定子的电阻、永磁磁链、电角速度。

　　将式（1）作简略的数学改换，得到式（2）：

　　其间E_d=0, E_q=ω_eψ_f ，别离表明d轴和q轴感应电动势重量。

　　依据滑膜操控理论，SMO规划为：

　　其间别离表明d轴电流观测差错，q轴观测差错，d轴电流观测值，q轴电流观测值，滑膜增益，符号函数。

　　把式（2）与式（3）相减，得到电流差错状态方程，如式（4）：

　　设滑膜面为，当条件 h^T h.< 0满意时， h = h =.0 。将此成果带入公式（4），可得

　　为使滑模观测器有较好的估量精确性，运用双曲正切tanh(⋅)函数代替符号函数sgn (⋅)或饱满函数sat(⋅)。

　　函数公式如下：

　　传统的滑膜观测器多选用截止频率固定的低通滤波器，本文引进变截止频率战略，使截止频率随转速的改变而改变，使其滤波作用更佳。

　　其间，份额系数M ∈[0,1] 为常数， ω_c 为截止频率。

　　为使SMO的动态功能愈加安稳牢靠，引进盯梢功能较好的锁相环技能^[4]，能够较好地跟从转子的方位信息，锁相环原理框图如图1所示。

　　2 改进SMO建模与仿真剖析

　　依据对改进SMO的理论剖析，树立改进SMO的MATLAB/Simulink仿真模型如图2所示。

　　在MATLAB/Simulink中将图2封装成SMO模块，并在其基础上树立三相PMSM滑模观测器模型，如图3所示。

　　为了验证改进SMO 规划的功能， 将图3 树立的PMSM无方位传感器Simulink模型进行仿真剖析。图3 仿真模型中的相关参数设置如下，PMSM的极对数和转动惯量以及阻尼系数别离设为p_n=3, J=0.0008kg ⋅m² , B=0，PMSM的定子d-q轴电感和电阻别离设定为L_d=1.6mH, L_g=1mH, R=0.011Ω，转子磁链ψ_f= 0.077Wb 。 模型仿真时的直流作业电压，体系周期以及逆变器的开关频率别离设为U_dc=311 V,T=1μs, f=10kHz。

　　为验证改进SMO规划的动静态功能，在Simulink模型中，添加Step阶跃模块，初始速度设为1 000r/min，在0.5 s时，速度给定跳变为2 000 r/min。仿真成果如图4~图9所示。

　　图4与图5别离为改进SMO和传统SMO的转速估量曲线，可看出改进SMO的转速估量的动摇改变以及精确性都要优于传统SMO的转速估量。图6和图7的转速估量差错比照图也表明晰改进SMO的估量差错较小，功能较优。

　　图8和图9别离表明改进SMO的转子方位估量以及估量差错，从图8能够看出，改进SMO可有用地对转子方位进行精确估量，能够较好地跟从实践转子方位的改变，从图9能够看出，在速度为1 000 r/min时，启动时，转子估量最大差错为0.45 rad范围内，当速度在0.5 s跳变为2 000 r/min时，最大差错在0.3 rad范围内，随后在0.1 rad左右改变，验证了改进SMO的估量作用。

　　为验证改进SMO的抗搅扰功能，给的模型输入速度为2 000 r/min，在0.5 s时参加正5 N的扰动负载，转速估量如图10所示，能够看出当模型参加5 N的负载时，转速有必定的下跌，但是在0.7 s后，转速根本安稳地跟从实践值的改变；同样地，在0.5 s时参加-5 N的扰动负载，转速估量如图11所示，在参加逆向扰动时，转速有必定的添加，但也在0.7 s后，根本能够安稳跟从实践值，验证了改进SMO体系模型具有较好的鲁棒性。

　　3 结语

　　本文为削弱传统滑膜观测器存在的抖振现象，规划了一种依据双曲正切函数tanh的改进型滑模观测器，选用截止频率可变的战略对转子方位角进行相位补偿而且结合锁相环估量转子方位，在同步旋转坐标系下树立了改进型滑膜观测器的Simulink仿真模型，经过仿真试验对体系的动静态功能以及鲁棒功能进行了验证，成果表明：改进型SMO能有用地削弱体系抖振，进步了转子估量的精确性，且体系的动静态特性和鲁棒性得到有用的改进。

　　参阅文献：

　　[1] 邱忠才,郭冀岭,王斌,等.依据卡尔曼滤波滑模变结构转子方位观测器的 PMSM无差拍操控[J].电机与操控学报,2014,18(4):60-65．

　　[2] 张刚,陈波.PMSM滑模观测器无方位传感器操控研讨[J].微特电机,2016,44(02):54-57+61．

　　[3] 荆禄宗,吴钦木.嵌入式永磁同步电机无方位传感器操控办法总述[J].新式工业化,2018,8(10):20-24．

　　[4] 兰志勇,王波,王琳,等.依据滑模观测器的永磁同步电机无传感器操控[J].微特电机,2018,51(9 ):32-37．

　　[5] 叶帅辰,姚晓先.依据改进型滑模观测器的PMSM无传感器操控[J].微特电机,2019,47(11):56-59+64．

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第47页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）