基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器技术研究
永磁同步电机无速度传感器控制系统研究
Ｆ ｕ ｄ ｔ 玎Ｐ ０ｅ ｔＳ ｐ ０ ｅ ｙＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｉ ｃ ｎ ｌ ｙＭａ ｒ ｍ １加 （ ｕ ａ Ｔ ｖ ｃ （ ０ ０ ６ Ｋｌ ０ ） ｏ ｎ ａｉ ｏ ｒ ｃ ：ｕ ｐ ｎ ｄ ｂ ｃｅ ｃ ｎ ＇ ｈ ｏ ｇ ｊ ｇ ｅ ｏ ｏ Ｐ ） Ｈ ｎ ｎＰＤ ｉ ｅ Ｎ ． Ｏ Ｇ Ｏ ２ ｆ ｎ ２
摘要 ： 绍 了 种基于 Ｔ Ｓ２Ｌ ２Ｏ 介 Ｍ ３ ０ Ｆ ８ ８型 Ｄ Ｐ芯 片 实 现 的无 位 置 传 感 器永 磁 同步 电 机全 数 字 控 制 系统 。该 系 统采 用 Ｓ 滑 模 变 结 构 观测 器 来 获 得转 速 和 转 子 位 置 ， 与传 统 的 观 测 算 法 相 比 ， 该方 法 低 速 时 的 转 角估 计 误 差 显 著 减 少 。该 系 统 充 分 利用 了 Ｄ Ｐ 片 内 资源 丰 富 、 算 速 度 快 的特 点 。实 验 结 果表 明系 统 获 得 了 良好 的 控 制性 能 Ｓ 运 关键 词 ： 磁 电机 ；数 字控 制 ／ 速 度传 感器 ； 字 信 号 处 理 器 ；滑模 观 测 器 永 无 数
中 图分 类 号 ： Ｍ３ Ｔ ５１ 文 献 标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：ｏ Ｏ ｏ Ｘ（ ｏ ８ ｌＬｏ ４ ｏ ｌ Ｏ 一１ ０ ２ ｏ ） ０－ｏｌ 一 ２
Ｓｕ ｙａ ｄＲｅＩ ａｉｎｏ ｇｔｌ ｅｍａ ｅｔ ａｎ ｔ ｙ ｃ ｒｎ ｕ ｔｒ ｔｄ ｎ ａｉ ｔ ｆ ｉ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｎｈ ｏ ｏ ｓ ｚ ｏ Ｄｉ ａ Ｐ Ｍ Ｓ Ｍｏ０
Ｓｅ ｓ ｒｅ ｓ Ｓ ห้องสมุดไป่ตู้ ｅ ｎ ０ ｌ ｓ ｖ ｔ ｍ
ＹＵ ０ ｚ ｎ．Ｗ ＡＮＣ ｉ Ｈａ ． ａ Ｈｕ ，ＨＵＡＮＧ ｈ ｕ ｄａ Ｓｏ． ０
基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 117【关键词】滑膜观测器 告诉磁浮 传感器以往传统的永磁同步电机需要安装传感器才可检测到磁极的位置，这样不但使电机的转动惯量与体积增加，同时还提高了电机成本。
目前，无传感器控制技术逐渐成熟，与滑膜观测器有机结合，具有良好的鲁棒性，与其他方式相比来看，能够使系统稳定性得到显著提升，为工程的实现提供更大助力。
1 滑膜观测器模型构建滑膜观测器属于一种新型无传感器控制方式，在电机结构基础上，建立PMSM 数学模式，从中获取电流预计值与实际值间的偏差，利用偏差对系统模型反复的修正，直至误差全部消失，以此计算出转子的转角与转速。
利用此观测器能够在α-β参考坐标系下的反电势进行估算，进而得出转子与转角的大小。
通过直接检测的方式只可获得定子电流的大小，滑膜面s （x ）的数值为0，在定子实际电流基础上，即s （x ）的数值为与i s 之差时，此时估计电流与滑膜面相接触后，滑膜的形态将发生改变，估计值与实际值之间的差值为0。
其中，滑膜观测器模型的表达式为：式中，z 的计算方式为Ksign （-i s ）；“^”代表的是估计值；“*”代表的是指令值；反电势估计值主要是指在饱和函数的运算下，通过数据输出得出z 的数值，然后经过低通滤波器的过滤，从中得到转子的位置与角度。
此时，滤波器将会在反电势的作用下出现相位滞后等情况，滞后率与滤波器的截止频率有所关联，当截止频率的数值越小时，滞后率便越大。
在滤波器相频相应的基础上，构建相位补偿表，采用已知速度对相位补偿表的索引进行计算，并由此获得相位补偿角的数值，再将其与转子角度相加，即可得出转子磁通的估计角度。
2 滑膜观测算法的实现滑膜观测估算主要是在DSP 的基础上，基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制文/熊飞本文对滑膜观测器模型的构建方式进行分析，并阐述了观测器的计算方法，旨在对PMSM 转子滑膜观测器的抖振进行有效抑制。
永磁同步电机无位置传感器模糊滑模观测技术
２ ０ １ ３年 ６月
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Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎ ｏ ． ６
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ
永磁 同步 电机 无 位 置 传 感 器模 糊 滑 模 观 测 技 术
ｓ ｉ ｇ ｎａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｆ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ，Ｓ Ｏ ａ ｓ ｔ ｏ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｌ ｙ ．Ｆｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ ｒ ｅ，ａ
ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｅ ｓ ｔ ｉ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｌ ｏ ｃ ｋ ｅ ｄ ｏｏ Ｌ ｐ（ Ｐ Ｌ Ｌ ）ｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｏ ｆ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｌ — ｔ ｉ ｍ ｅ ｅ ｓ ｔ ｉ —
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永磁同步电机无速度传感器控制技术研究
永磁同步电机无速度传感器控制技术研究永磁同步电机是一种高性能、高效率的电机，广泛应用于工业和交通领域。
传统的永磁同步电机控制方法需要使用速度传感器来测量电机转速，但是速度传感器的安装和维护成本较高，且容易受到环境干扰。
因此，研究无速度传感器控制技术对于提高永磁同步电机的控制性能具有重要意义。
无速度传感器控制技术主要通过估计电机的转速和位置来实现控制。
其中，转速估计是无速度传感器控制技术的核心。
常用的转速估计方法有基于反电动势法、模型参考自适应系统法和卡尔曼滤波法等。
基于反电动势法是一种简单且有效的转速估计方法。
该方法通过测量电机相电压和电流，利用电机的反电动势来估计电机的转速。
但是，由于电机参数和负载变化等因素的影响，估计精度有限。
模型参考自适应系统法是一种基于模型参考自适应控制理论的转速估计方法。
该方法通过建立电机的数学模型，利用模型参考自适应控制器来估计电机的转速。
该方法具有较高的估计精度，但是需要较为准确的电机模型，且计算量较大。
卡尔曼滤波法是一种基于状态估计的转速估计方法。
该方法通过建立电机的状态空间模型，利用卡尔曼滤波器来估计电机的转速。
该方法具有较高的估计精度，且对电机和负载的变化具有较好的适应性。
在无速度传感器控制技术的研究中，还需要考虑系统的稳定性和鲁棒性。
稳定性是指系统在受到干扰或参数变化时能够保持稳定的性能。
鲁棒性是指系统对于参数不确定性和外部扰动的鲁棒性。
因此，研究无速度传感器控制技术还需要考虑稳定性分析和鲁棒性设计。
总之，无速度传感器控制技术是永磁同步电机控制领域的研究热点。
通过对转速估计方法的研究和改进，可以实现对永磁同步电机的高精度、高效率控制，提高其在工业和交通领域的应用价值。
一种新型滑模观测器的永磁同步电动机无传感器控制
… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
驱动控制
－ ｅ ｒ ／ … ～
一
种 新 型 滑 模 观 测 器 的 永 磁 同 步 电 动 机 无 传 感 器 控 制
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｄ ｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｔ ｏ ｐ ｅ ｎ ｈ ｔ ｒ ｇ ｐ ｏ ｌｍ ｘ ｓｉ ｇ ｉ ｒｄ ｔ ｎ ｌｓｉｉ ｇ ｍｏ ｅ ｏ ｓ ｒ — ｓｒ ｃ ： ｕ ｏ ｔ ｏ ｒｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ａ ｗ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｃ ａｔ ｉ ｒｂ ｅ ｅ ｉｔ ｎ ｔａ ｉ ｏ ａ ｌ ｎ ｄ ｂ ｅ ｖ ｈ ｆ ｌ ｅｎ ｎ ｉ ｄ
ｉ ｅ ｏｓ ．Ｉ ｆ ｔｒｎ ｉｅ ｔｍａ ｅ ｈ ｖ ｆ ｒ ｍｏ ｔ ｎ ｃ ｕ ａｅ Ｓ ｈ ｒ ｃｓｏ ｆｔ ｅ ｒ ｔｒ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｐ ｓｔ ｎ ｅ ｔ ｔ ｎ ｃ ｎ ｂ ｌ ｋ ｓ ｔ ｅ ｗａ ｅ ｍ ｓ ｏｈ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｔ ． ｏ ｔ ｅｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ｈ ｏｏ ｐ ｅ ｎ ｏ ｉ ｏ ｓｉ ｉ ａ ｅ ｏ ｉ ｍａ ｏ ｉ ｒ ｖ ｄ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔ ｂ Ｓ ｍｕ ｉ ｋ ｐ ａｆｒ ａ ｓ ｌｔ ｎ ｍｏ ｅ ｆｔ ｅ ｃ ｎｒ ｌｓ ｓｅ ｗ ｓ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｍｐ ｏ ｅ ． ａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｍａｌ ／ ｉ ｌ ｌ ｔ ｍ， ｉ ａｉ ｄ ｌｏ ｏ ｔ ｙ ｔ ｍ ａ ｓ ｌ ｅ ．Ａ ｖ ｌ ａｉ ｎ ｏ ａ ｎ ｏ ｍｕ ｏ ｈ ｏ ａ ｓ ａｉ ｔ ｆ ｄ ｏ
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基于FPGA的FPMSM滑模观测器无传感器控制
０引 言
随着功率器件、 现代电力 电子技术和控制理论
的发展 ， 由逆变器 供 电 的 电机 可 以摆脱 三 相 电 网对
在基 于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 Ｓｓ ｍ Ｇ ｎｒｔｒ ｙｔ ｅｅａ 开发 平 台上 ， 用 ｅ ｏ 采 模 型系统 级设计 方 法 ， 现 了 滑模 观 测 器 位置 估 算 实 仿真 ， 并通 过实 验验证 了该 方法 的有 效性 。
电机相数的束缚 。同三相 电机相 比， 多相 电机具有
功率 密度高 、 力矩 波 动 小 、 率 高 、 容错 控 制 等 优 效 可 点 ， 要求 低压 高功 率 输 出、 可 靠性 等 应 用 场合 ， 在 高
ＦＧ Ｐ Ａ实验平台上。仿真和实验结果表 明了利用滑模 观测器进行五相永磁 同步电动机位置估算 的可行性 。
关键词 ： 五相永磁 同步电动机 ； 滑模观测器 ；ｙｔ ｅｅａｏ； Ｓｓ ｍ Ｇ ｎｒｔ 位置估算 ｅ ｒ
中图分类号 ： Ｍ３ １ Ｔ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０４ ７ １ （０２ ０ － ０ ７ ０ １０ － ０ ８ ２ １ ）３ ０４ － ４
ｅ ｅａ ｒ Ｓ ， ｅｉｇＨ Ｌｃｄ ｉ ｔ ｓ ｏ ｕ ｅｅａ ｄｗ ｓ ｏ ｎｏｄ ｄｔ Ｆ Ｇ ｌｔｒ Ｓｍ ｌｉ ａ Ｇ ｎｒｔ （ Ｇ） ａｄｔｅＶ ｒｏ Ｄ ｏｅ ｈｃ ｉ ｍ ｄ ｌ ｇｎｒｔ ａ ｄ ｗ ｌａｅ Ｐ Ａ ｐａ ｏ ． ｉｕａ ｏ ｄ ｏ ｎ ｈ ｌ ｗ ｈｈ ｅ ｅ ｏ ｆ ｍ ｔｎ ｎ
摘
Hale Waihona Puke 要： 针对五相永磁 同步 电动机在无传感 器控制 领域研究 较少 的情 况 ， 在分析 了其数学 模型基础 上 ， 用饱 利
和 函数作为切换函数 ， 引入角度补偿单元 ， 出了一种抖振 现象低 、 踪性能 良好 的滑模 观测器 位置估算 方法 。结 提 跟 合 ＦＧ Ｐ Ａ开发工具 Ｓｓ ｍ Ｇ ｎｒ ｏ 完 成滑模 观测器模 块的建模 和实 现 ， ｙｔ ｅｅａ ｒ ｅ ｔ 并将 模块生 成 的 Ｖ ｒｏ Ｌ代码 下载到 ｅｉ ｇＨＤ ｌ
基于改进全阶滑模观测器的IPMSM 无传感器控制
designed. Finally，the correctness and effectiveness of the proposed sensorless control strategy were verified on the
（2）
-R s û ëi β û ëu β - e β û
曹新平，等：基于改进全阶滑模观测器的 IPMSM 无传感器控制
高速方法主要是基于电机反电动势模型求取位
置信息
[4-15]
。
电气传动 2021 年 第 51 卷 第 5 期
IPMSM 的定子电流状态方程为
i
é -R s -ω r ΔL ùú éêi α ùú + éêu α - e α ùú
pL d éê α ùú = ê
2 kW IPMSM vector control experimental platform.
Key words: interior permanent magnet synchronous motor（IPMSM）；
full order sliding mode observer（FSMO）；
chattering suppression；
零/低速和中高速两大类：零/低速方法主要利用
magnet synchronous motors，IPMSM）因其转矩密度
[1]
用 。由于安装位置传感器会导致系统成本增
受到众多学者的广泛关注及研究。目前，无位置
基于新型滑模观测器的永磁同步电机控制
２０２２ 年 ３ 月
１０３
王方凯文ꎬ等:基于新型滑模观测器的永磁同步电机控制
法 [１０￣１１] 、扩展卡尔曼滤波器法 [１２] 等ꎮ 其中滑模观测器
法因其对外部干扰和参数变化时鲁棒性强ꎬ且响应速
度快等优点备受广大专家学者的关注ꎮ
统通常采用编码器等机械式位置传感器来获取电机转
子的位置信息ꎬ然而采用机械式位置传感器的电机控
制系统将带来如系统成本增加ꎬ体积变大ꎬ易受到干
扰ꎬ安装维护困难等问题ꎮ 近年来ꎬ永磁同步电机的无
位置传感器控制技术引起了国内外专家学者的广泛关
注ꎬ成为了电机控制领域的研究热点 [１] ꎮ 电机无位置
传感器控制技术通过检测电机绕组中的定子电流、定
ｓｉｇｎｅｄ. Ｔｈｅ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｉｎｐｕｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｂｏｌｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎꎬａ ｍｉｘｔｕｒｅ ｒｅａｃｈｉｎｇ
ｌａｗ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕａｌ ｒａｔｅ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｌａｗꎬａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ
[ ｅｅ ] ＝ [ －ψψωωｃｏｓθ
]
ｆ
α
β
ｆ
ｅ
ｅ
(２)
(４)
－ｍ < ｓ < ｍ
ｓ ≤－ ｍ
式中ꎬ ｍ 为正常数ꎬ用来控制切换函数的边界层ꎮ
２. ２ 混合趋近律设计
为进一步减小系统抖振ꎬ设计一种新型混合趋近
律:
ｓ̇ ＝ － ｋ１ ｓ － ｋ２ ｓ
永磁同步电机无传感器控制系统研究
ｔｒ ｏ ｅｍ ｎ ｎ ｍ ｇ ｅ ｓｎ ｈｏｏ ｓｍ ｔｒＰ Ｍ）ａｄｉ’ ｂ ａｋｔｅｒａ ｐｓｉｎｏ ｔ ｉｅｒｎ ｅｏ ｅｓ ｆ ｒ ａｅ ｔ ａｎ ｔ ｙｃ ｒｎｕ ｏ （ＭＳ ，ｎ ｔＳ ｌ ｔ ｔ ｃ ｈ ｅｌ ｏｉｏ ｆ ｏ ｒｉ ａｗｄ ａ ｇ ｆ ｐ ｏ ａ ｅｏｒ ｔ ｒｏ ｎ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｅ ａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｙ ｃ ｒ ｎ ｕ ｔｒ ｌ ｅｍｏ ｅｏ ｓ ｒ ｅ ； ｅ ｓ ｒ ｓ ｏ ｔ ｌ ｈ ｓ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ； ｏ ｕ ｔ ｅ ｓ ｙ ｒ ｓ ｐ ｒ ｎ ｎ ｍ ｍａ ｎ ｔ ｎ ｈ ｏ ｏ ｓ ｓ ｍｏｏ ；ｓｉ — ｄ ｂ ｅｖ ｒ ｓ ｎ ｏ ｌ ｓｃ ｎ ｒ ；ｐ ａ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｄ ｅ ｏ ｏ ｒ ｂ ｓｎ ｓ
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基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制
基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制高速磁浮无传感器控制是一种常见的控制方式，它可以使磁浮系统在没有传感器的情况下实现高精度的位置和速度控制。
在传统的磁浮系统中，通常需要多个传感器来感知系统的状态，如位置、速度和电流等。
传感器的安装和校准需要花费较多的时间和成本，并且容易受到环境干扰，降低了系统的可靠性和稳定性。
磁浮无传感器控制成为了近年来的研究热点。
滑模观测器是一种常用的无传感器控制方法，它可以通过对系统误差的估计来实现系统控制。
基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制方法主要包括以下几个步骤：需要建立磁浮系统的数学模型。
磁浮系统通常由电磁铁和永磁体组成，其动力学特性可以描述为状态方程和输出方程。
根据系统的动力学方程和电磁铁的特性，可以建立系统的数学模型。
接下来，需要设计滑模观测器。
滑模观测器是一种估计系统误差的观测器，通过对系统输出进行观测和估计，实现对系统状态的估计。
通过滑模观测器，可以实现对系统位置和速度的估计，并根据估计值进行控制。
然后，需要设计控制器。
控制器是通过估计的系统状态来生成控制指令，控制磁浮系统的运动。
基于滑模观测器的控制器通常包括滑模控制器和反馈控制器两部分。
滑模控制器负责根据滑模面的误差来生成控制指令，反馈控制器负责根据滑模观测器估计的系统状态来调整滑模面的参数，实现对系统状态的控制。
需要进行控制系统的仿真和实验验证。
通过建立控制系统的仿真模型，可以对系统的控制性能进行评估和优化。
还需要进行实验验证，验证控制系统的稳定性和鲁棒性。
基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制方法具有较好的控制性能和鲁棒性，可以实现磁浮系统的高精度控制。
相比传统的基于传感器的控制方法，它不仅可以减少传感器的安装和校准成本，还可以提高系统的可靠性和稳定性，适用于一些对控制精度要求较高的应用场景。
基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制方法在磁浮领域具有较好的应用前景。