适合表面式永磁同步电机宽转速范围运行的新型滑模观测器无传感器控制方法研究

A vector control system of permanent magnet synchronous motor based on sensorless control technology has many excellent features. And sliding mode observer algorithm is a commonly used sensorless control technology and is more suitable for the surface permanent magnet synchronous motor. At present this algorithm and its improvements have already used in the practice occasion of high speed operation and have good performance. But with the improvement of performance for some new occasion in the low and variable speed operation, this algorithm exposed some new basic theoretic question which limits its application. A new sensorless vector control system based on a improved sliding mode observer with a new mathematical model is proposed and it has three core contents：The mathematical model of tradional current observer and the design method of a novel sensorless vector control system that can be used in low speed operation are analysed；In order to solve the estimated rotor position error when the motor operates in the variable speed,the stability of the novel observer is analysed and a adaptive compensation algorithm is put forward；In order to realise a sensorless vector control system with position self-adjusting performance，a open loop-closed loop switch method is put forward. This application researches the principle of this control algorithm、the key technology of the analysis and provides the theoretical、experimental and applied basis for wide speed range operation of sensorless vector control system.

基于无（位置）传感器控制技术的永磁同步电机矢量控制系统具有较多优点，其中滑模观测器算法是一种常用较适合表面式永磁同步电机的无传感器控制技术，目前该算法及改进在系统中高速运行时估算性能较好，并得到了应用，但随着应用对象扩展和性能提升，系统要求电机低速、变速运行，该算法此时暴露出了一些新的基础理论问题，限制了其应用。本申请对此提出研究一种新的滑模观测器无传感器矢量闭环控制方法，包含三个核心内容：分析传统电流观测器数学模型，研究一种扩展低速运行范围的数学模型改进型滑模观测器设计方法；为解决系统变速运行过程转子位置误差随变的问题，分析新观测器的稳定性，提出研究一种适合观测器变速运行估算的位置自适应补偿方法；为实现最终的无传感器闭环控制，提出研究一种基于位置自调整开环-闭环矢量切换的方法。本申请研究这种方法的原理、分析和设计的关键技术，给无传感器矢量控制系统宽转速范围运行提供理论、实验和应用的依据。

针对基于传统数学模型滑模观测器进行改进的一些方法中存在的问题，考虑到永磁同步电机转子位置估算误差存在的本质是估算反电势的不准确，本文提出了一种新的基于数学模型改进的滑模观测器算法，它将估算反电势负反馈引入到传统定子电流观测器的数学模型中。相比传统的滑模观测器算法，它可以通过选择合适的反馈值提高低速时转子位置的估算精度和中高速时系统的稳定性。其次，提出了反电势反馈增益的自适应律。该自适应律在电机速度变化过程对转子位置的估算具有自适应调节作用。第三，在分析永磁同步电机模型和矢量控制方案的基础上，引入了开环-闭环的切换控制方法。最后结合仿真和实验验证了算法的有效性，基于该新型算法的无传感器矢量控制调速系统，在高速领域变速运行，动态响应较好；在低速领域估算转子位置能够有效的跟踪实际转子位置，在200r/min以上的速度范围内无传感器控制可以代替传感器控制宽转速范围运行；另外，该算法具有较强的抗干扰能力，且算法简单、易于工程实现。该项目在研究期间共发表(录用)相关学术论文16篇，其中SCI收录1篇，EI收录7篇；授权发明专利4项，申报发明专利2项，授权实用新型专利1项；获得浙江省151第三层次人才和浙江省青年科学家培养计划资助。