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摘要：本文从同步旋转坐标系的电机模型出发，推导了永磁同步电机定子磁链计算方法，应用一种速度自适应积分器，从理论上消除了积分器的直流偏置和初始相位问题。搭建了基于磁链观测器的无位置传感器控制系统模型，分别对磁链观测器的磁链观测、速度和转子位置估算、动态和负载突变过程进行仿真分析，验证了该磁链观测器算法的可行性。搭建了基于RT-LAB的控制系统实验平台，分别对启动过程、磁链观测以及速度和位置估算进行了实验验证，验证了磁链观测算法的正确性。仿真和实验结果表明：该磁链观测器能够快速、准确地跟随电机转子的位置和速度，系统响应快、鲁棒性强。
关键字：永磁同步电机；磁链观测器；无位置传感器；RT-LAB
引言
永磁同步电机因其具备高效率、高精度、结构简单、转动惯量低等特点，近年来在电动汽车、航空航天、工业自动控制领域获得了广泛应用。但是，电机机械传感器限制了永磁同步电机在高性能场合的应用，因此永磁同步电机无位置传感器控制技术成为研究重点。
电机无位置传感器控制系统是指利用电机绕组中的相关电信号，结合永磁同步电机数学模型，应用合适算法来估算转子的位置和转速，从而代替机械传感器来实现电机的控制。本文应用磁链观测器来估算PMSM速度和转子位置，同时采用速度自适应 环节来补偿纯积分环节的直流漂移和相位延迟，给出了基于磁链观测器的PMSM无位置传感器矢量控制系统，分别对磁链观测器的磁链观测、速度和转子位置估算、动态和负载突变过程进行仿真分析，验证了该磁链观测器的可行性；搭建基于RT-LAB的PMSM无位置传感器控制系统的平台，分别对启动、磁链观测、位置和转子速度估算进行了实验研究，验证了该磁链观测器的正确性。
1永磁同步电机磁链观测器
1.1磁链观测器
在同步旋转dq0坐标系下，PMSM数学模型的电压表达式为：
1.2转子位置估算误差的补偿
为了解决纯积分环节引入的问题，常用的方法是用一阶低通滤波器来替换纯积分环节。一阶低通滤波器可以消除纯积分环节带来的直流漂移和积分初始相位误差，但同时它又会在估算的磁链中引入幅值和相位误差，当电机运行在低通滤波器截止频率之下时，电机的控制效果会更差。
本文应用了一种和纯积分环节等价的( )积分器，它应用了速度自适应 环节来补偿纯积分环节的直流漂移和相位延迟，使( )积分器和纯积分环节具有相同的幅频和相频特性。
磁链观测器的原理图如图1所示。
2.1 磁链观测器磁链观测仿真分析
本文采用的是带有自适应PI环节的磁链观测器来得到磁链，在仿真分析中，电机转速为2500r/min，估算的磁链矢量 分量为正弦波，相位相差 ，磁链波形比较平滑，谐波分量少，适合用来计算速度和角度。
2.2 估算的位置和速度仿真分析
在磁链的观测过程中，通过等效的低通滤波器得到磁链，因而根据滤波器得到的转子位置和实际值有一定的误差，需要补偿误差，补偿后的位置和实际的位置基本重合，误差比较小。电机在额定转速2500r/min运行时，启动阶段电机转速低，电机反电势比较小，估算的磁链误差比较大，速度稳定后能够很好的跟随实际速度。
2.3 控制系统动态性能仿真分析
为了研究控制系统动态响应，在转速突变状态下，对磁链观测器估算的位置和速度进行了仿真分析。如图7所示，负载转矩保持1N.m，初始给定转速为1000r/min，2s时转速从1000r/min突变为1500r/min，3.5s时转速再突变为1000r/min。从图中可以看出：给定转速突变时，磁链观测器有很强的自适应能力快速跟踪转子的实际位置和速度。位置误差在启动阶段较大外，基本接近零。速度估算误差除了在启动加速阶段大外，也基本趋近于零。
2.4 负载突变仿真分析
在负载转矩突变的过程中，电机的转速经过短时间的突变然后恢复到正常情况。这说明应用磁链观测器来估算电机速度和转子位置时，控制系统有很强的鲁棒性，响应速度快。
3 实验与分析
3.1 实验平台
为了验证基于磁链观测器永磁同步电机无位置传感器控制算法的正确性，搭建了RT-LAB实验平台进行实验，主要包括：1）额定功率1kW，额定转矩4N.m，额定转速2500rpm，极对数为4的PMSM一台；2）基于RT-LAB的控制平台；3）矢量变频器HD30；转矩测试仪一个；电流钳两个；示波器一台。
3.2 实验波形
采用磁链观测器估算的磁链 轴分量的实验波形，可见，估计的磁链正弦型良好，但波形出现跳变状况，由于估算的角度没有问题，说明波形跳变与采样有关。
转子实际角度和估算角度的实验波形，可以看出估算角度和实际角度基本吻合，误差接近于零，说明磁链观测器能够很好地估算磁链，自适应PI补偿环节很好的补偿了相位延迟问题。
给定的转速从0 r/min突变到1000r/min时转子速度动态响应过程。在加速阶段，转速较低，反电势小，磁链估算器估算的磁链谐波分量大，说明此时磁链观测器能够很好估算磁链。
4 结论
本文设计了基于自适应PI磁链观测器，用来对PMSM转子位置和速度进行估算，运用自适应PI补偿位置估算误差。给出了基于磁链观测算法的永磁同步电机无位置传感器控制系统，通过仿真和实验得出：PMSM转子位置的估算值经过补偿之后能够很好地跟随实际值；当电机转速发生突变时，能够很好地响应速度变化；负载转矩突变时，系统能够快速响应，对于负载扰动有很强的鲁棒性。
论文作者:杨洲1,蒋莉2,陈勇3,孙刚4
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/4
标签：观测器论文; 位置论文; 永磁论文; 转子论文; 速度论文; 转速论文; 突变论文; 《电力设备》2017年第7期论文;