基于變結(jié)構(gòu)控制的無傳感器交流伺服系統(tǒng)研究
羅雪蓮（湖南工學院電氣與信息工程系，衡陽421002）
摘要：為了取消永磁同步電機控制中的機械傳感器，獲得矢量控制中需要的電機轉(zhuǎn)速和位置信息，設(shè)計了一種基于交結(jié)構(gòu)控制的永磁同步電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置估算方法。選取定子固定坐標系下定子電流及電機感應(yīng)電動勢為狀態(tài)變量，定子電壓和電流作為輸入、輸出量，建立估算電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的自適應(yīng)滑模觀測器系統(tǒng)。通過觀測電機感應(yīng)電動勢來估計電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，并結(jié)合擴展的卡爾曼濾波對電機感應(yīng)電動勢進行濾波。實驗結(jié)果表明帶有擴展的卡爾曼濾波的滑模觀測器具有良好的動態(tài)性能，對被控對象的參數(shù)變化和擾動有很強的魯棒性。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機；變結(jié)構(gòu)控制；滑模觀測器；擴展卡爾曼濾波器；無速度傳感器
中圖分類號：TM341；TM351：TP273+2 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848(2010）01-0066-05
0引 言
目前，無速度傳感器交流伺服系統(tǒng)在極低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，精確的速度估計仍然是個難題。估計轉(zhuǎn)速必須在靜態(tài)、動態(tài)下以足夠的精度跟蹤實際的轉(zhuǎn)速。無速度傳感器的高性能交流伺服系統(tǒng)非常需要高精度的估計器或觀測器來保證系統(tǒng)在大轉(zhuǎn)速范圍（包括極低轉(zhuǎn)速）內(nèi)具有穩(wěn)定性和對重負載的魯棒性。本文提盅一個自適應(yīng)滑模觀測器，根據(jù)觀測電流和實測電流之間的誤差構(gòu)成滑模切換面對電機感應(yīng)電動勢進行觀測以得到轉(zhuǎn)子位置角，并結(jié)合擴展的卡爾曼濾波對電機感應(yīng)電動勢進行濾波。應(yīng)用自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估計算法得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并設(shè)計了基于滑模觀測器的無傳感器矢量控制系統(tǒng)。觀測器具有良好的動態(tài)性能，對被控對象的參數(shù)變化和擾動有很強的魯棒性。
1 交流永磁同步伺服電動機數(shù)學模型
在假設(shè)磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗影響，空間磁場呈正弦分布的條件下，當永磁同步電動機轉(zhuǎn)子為表貼式時，得靜止DQ坐標中的定子
電壓狀態(tài)方程[1]為：
us 為定子電壓空間矢量；is為定子電流空間矢量；Rs定子繞組相電阻Ls為等效同步電感；es為感應(yīng)電動勢空間矢量；ψf為永磁體勵磁磁鏈。
2滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理
滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，這種控制策略與其它控制的根本區(qū)別在于系統(tǒng)的控制不連續(xù)，系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定的“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有魯棒性強、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、快速響應(yīng)等優(yōu)點。
2.1滑模運動及其存在條件
對于一個控制系統(tǒng)：  ，系統(tǒng)狀態(tài)  ，控制向量  ，其狀態(tài)空間中存在一個切換超平面。 它將狀態(tài)空間分成s>0與s<0兩部分，如果適當選擇切換函數(shù)S（X）和輸入控制信號u，使得從任意初始狀態(tài)出發(fā)的運動點在“的作用下均能到達超平面，且狀態(tài)將 |
