城轨牵引内置式永磁同步电机转速及转子位置检测_盛义发

（ 1． 南华大学 电气工程学院，湖南 衡阳 421001； 2． 中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083）
摘 要： 针对城轨牵引无传感器内置式永磁同步电机的运行要求，设计了一种基于新型滑模观测器
的内置式永磁同步电机转速及转子位置观测器，通过电机电流的滑模观测模块对扩展反电动势进
行观测，使用 S 型函数取代传统的离散控制律，以削弱系统“抖振”； 采用转速参数辨识和转子位置
1. 2 IPMSM 的 EBEMF 新型滑模观测器设计 两相静止坐标系下，IPMSM 的电压方程［4 － 8］为
[ ] [ ][ ] uα =
R + DLd
uβ
－ ω（ Ld － Lq）
ω（ Ld － Lq） R + DLd
iα + iβ
[ ] － sinθe
［（ Ld － Lq） （ ωid － Diq） + ωKe］ cosθe ，（ 1）
DOI:10.15938/j.emc.2012.07.010
第 16 卷 第 7 期 2012 年 7 月
电机与控制学报 ELECTRIC MACHINES AND CONTROL
Vol. 16 No. 7 July 2012
城轨牵引内置式永磁同步电机转速及转子位置检测
盛义发1，2 ， 刘升学1 ， 喻寿益2 ， 桂卫华2
关键词： 城轨交通； 内置式永磁同步电机； 滑模观测器； 锁相环； 微控制器
中图分类号： TM 351
文献标志码： A
文章编号： 1007－ 449X（ 2012） 07－ 0034－ 06
Detection of speed and rotor position of interior permanent magnet synchronous motor for urban rail traction
Abstract： To meet the operation requirements of sensorless interior permanent-magnet synchronous motor （ IPMSM） for urban rail transit，a novel observer for IPMSM speed and rotor position detection based on sliding mode observer （ SMO） was designed． The extended back electromotive force （ EBEMF） was observed by the motor current module of SMO． Substitution of S function for traditional discrete control rate was used to reduce system jitter． The speed parameter identification and rotor position angle phase-locked loop （ PLL） were adopted． The motor speed and rotor position information were obtained respectively to reduce the estimation error of speed and rotor position． Variable parameter PI controller was adopted to improve the dynamic performance． Stability of IPMSM control system based on the novel SMO was proved． Novel SMO vector control system was implemented using a STM32F103 embedded microcontroller． The reliability and validity were verified by experimental results． Key words： urban rail transit； interior permanent magnet synchronous motor； sliding mode observer； phase-locked loop； microcontroller
棕ref +
棕^
变参 iq+
数 PI id=0
-
PI uq PI ud i^q
i^d 兹^
u琢 dq 琢茁 u茁 SVPWM
i^琢
dq 琢茁
i^茁
琢茁 abc
棕^ 新型滑模 观测器
Udc 三相 逆变器
IPMSM
图 1 基于新型 SMO 的 IPMSM 无传感器矢量控制框图 Fig． 1 Construction of IPMSM sensorless control system
流滑模观测器数学模型，取观测电流和实测电流间
的误差构成滑模面，对扩展反电动势进行观测； 再经
参数辨识以及锁相环检测出电机转速和转子位置
角。转速和位置滑模变结构观测器的结构框图如图
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电机与控制学报
第 16 卷
2 所示，图中电流观测模块为滑模观测器，滑模观测 器采用观测电流与实际电流的差值（ i^α － iα） 和（ i^β － iβ） 驱动，并使用 S 型函数取代传统的离散控制律， 以减少系统抖动，即
模观测器的检测方法。
为了构建定子电流滑模观测器数学模型，由式
（ 1） 变换得到滑模观测器E^ e ） ，
（ 3）
式 中：
·i^
=

·i^α

；
·i^β
A
=
ω
－
R Ld
Ld － Lq Ld
－ω
Ld － Lq
Ld
；
i^
=
－ R Ld
[ ]i^α
1 Ld
i^β
；B=

0
0
[ ] [ ]
1
；
u
=
ua uβ
； E^ e =
e^ α e^ β
。i^α、i^β 为电
Ld
流观测模块的输出； e^α、e^β、为参数辨识模块输出的 扩展反电动势，即滑模控制函数。
根据滑模控制器设计原理及 IPMSM 的定子电
[ ] [ ] eα
－ sinθe
Ee = eβ = ［（ Ld － Lq） （ ωid － Diq） + ωKe］ cosθe 。
（ 2）
式（ 1） 为构造滑模观测器的 IPMSM 数学模型，
EBEMF 滑模状态观测器是根据系统可测的电流和
电压来观测 IPMSM 的扩展反电动势，进而通过参数
辨识以及锁相环 （ phase － locked loop，PLL） 获得电 机 转 速 以 及 转 子 位 置 角 的 观 测 值［3 － 14］。 由 于
收稿日期： 2011 － 01 － 16 基金项目： 国家自然科学重点基金（ 60634020） ； 湖南省自然科学基金（ 10JJ6076） ； 湖南省科技厅资助项目（ 2010GK3183） ； 南华大学博士启动
基金（ 2011XQD41） 作者简介： 盛义发（ 1973—） ，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为电机及其系统、电力系统运行与控制、电力电子与电气传动；
SHENG Yi-fa1，2 ， LIU Sheng-xue1 ， YU Shou-yi2 ， GUI Wei-hua2
（ 1． School of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China； 2． Institute of Information Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）
1 基于新型滑模观测器的城轨牵引 IPMSM 系统转速及转子位置检测
1. 1 基于新型 SMO 的 IPMSM 控制系统设计 城轨牵引 IPMSM 转子磁场定向矢量控制系统
框图如图 1 所示。该系统采用双闭环控制，内环为 2 个电流环，采用恒参数 PI 控制器； 外环为转速环， 采用变参数 PI 控制器。针对城轨牵引用无位置传 感器 IPMSM 系统，采用新型滑模观测器来检测转子 位置和转速。
刘升学（ 1963—） ，男，博士研究生，教授，硕士生导师，研究方向为机电一体化、系统经济运行与优化控制； 喻寿益（ 1940—） ，男，教授，博士生导师，研究方向为现代交流调速、自适应控制； 桂卫华（ 1950—） ，男，教授，博士生导师，研究方向为复杂系统建模与优化控制、现代交流调速。 通讯作者： 盛义发
角度的锁相环将转速与位置分开观测，以提高转速和转子位置的观测精度； 采用变参数 PI 控制器
替代传统的内置式永磁同步电机速度控制环中恒参数 PI 控制器，以改善系统动态性能。证明了该
新型滑模观测器的控制系统的稳定性，开发了基于 STM32F103 嵌入式微控制器的滑模观测矢量控
制系统，实验结果验证了该控制策略的有效性与可行性。
式中： uα、uβ、iα、iβ、分别为 α、β 轴电压、电流分量； Ld、Lq 分别为 d、q 轴电感； R 为定子电阻； ω 为转子 电角速度； Ke 为反电动势常数； D 为微分算子； θe 为 两坐标系间的空间位置角（ d 轴与 α 轴间夹角） 。其
中 Ee 为扩展反电动势（ extended back electromotive force，EBEMF） ［4 － 8］，记为
[ ] [ ] xα = k1H（ i^α － iα） ，