基于变系数滑模观测器的PMSM伺服系统

摘要：为改善永磁同步电机(PMSM)伺服系统的控制性能，在分析PMSM数学模型的基础上，提出了基于变系数滑模观测器的无位置传感器PMSM伺服系统控制方案。设计了滑模观测器，通过加入低通滤波器(LPF)，协调LPF和滑模观测器的参数，改善了滑模观测器带来的抖动干扰。利用磁场定向控制原理，根据估算参数，实现了无位置传感器的PMSM矢量控制。样机实验结果表明，所提出的控制方案提高了系统的鲁棒性和伺服性能。
关键词：永磁同步电机；滑模观测器；无位置传感器；矢量控制

1 引言
为实现对PMSM的精确控制，需要准确检测转子的位置或速度信息，为降低伺服系统的成本、体积，提高其可靠性，可采用无位置传感器的PMSM控制方法。其中，基于滑模观测器的控制方式因具有对参数变化及扰动不敏感、响应快速、瞬态性能好、易于数字化实现等优点而备受关注。
此处采用一种变系数的滑模观测器控制结构，在获取滑模变量时采用LPF滤除高频谐波，通过补偿方式消除低通滤波带来的相移问题，并采用抗饱和积分环节消除积分饱和效应。最后通过实验证明了设计的正确性和合理性。

2 PMSM数学模型
在简化分析中，静止α，β坐标系下PMSM的数学模型可表示为：
为高频开关信号，由此得到：中的es也为高频开关信号。在滑模面上作滑模运动时，由于开关时间和空间上的滞后，使滑模观测器呈现固有的抖振现象，可通过对es进行低通滤波从而得到连续的反电势估算值：

估算反电势取决于两个因素：滤波器系数和电流误差信号。电流误差信号可通过加大噪声的滤波强度使估算反电势的波形变得更光滑，即降低滤波的截止频率。但越加大滤波力度，造成的相移越大，对角度补偿的难度和误差也就越大，因此不能单纯地修改滤波器的系数。而另一个因素则是电流误差信号，波形的噪声信号反映了滑模变结构在滑动模态下的抖振现象，滑模抖振是必定存在的且不能消除。此处采用一种简单的方法来抑制滑模抖振，即协调滑模增益，使滑模增益根据电流的峰值而变化成为一种可行的办法。