江苏科技大学魏海峰等：基于转子磁链模型的永磁同步电机转子位置估计策略
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魏海峰 韦汉培 张懿 储建华
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170814
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导语
为有效克服无位置传感器永磁同步电机控制系统在低转速工况下位置估计不准确以及转向突变导致的位置估计误差增大问题，提出一种基于改进转子磁链滑模观测器和正切函数锁相环结构的永磁同步电机无传感器转子位置估计策略。
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研究背景所
永磁同步电机无位置传感器控制需通过相应算法检测电机转子位置以及转速大小。目前，滑模观测器算法广泛应用于无位置传感器永磁同步电机转子位置以及转速检测中，首先通过滑模观测器观测出反电势，进而经过一系列计算间接获取转子位置和转速信息。由此看来，反电势观测的准确度成为无位置传感器控制的关键。
然而，传统反电势滑模观测器因固有的抖振特性以及测量噪声使得其输出反电势存在大量的噪声扰动，加上低通滤波器的使用使得输出反电势存在相位偏移和幅值削弱，进而间接影响转子位置和转速的估算。因此，有关滑模观测器的处理有待进一步的研究。
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论文所解决的问题及意义
传统基于反电势滑模观测器的转子位置检测存在3个问题：
（1）电机反电势的大小随转子转速的变化而变化，在低转速工况下，电机反电势较低，不足以用来准确估算转子位置；（2）在整个电机运行速度范围内，基于开关函数的切换增益需足够大以满足用于估计误差收敛的Lyapunov稳定性条件，但过高的开关增益又会导致估计信号的抖振，特别是在低速范围内；（3）传统锁相环结构具有与正弦函数呈比例的估计误差，其在电机转向突变时便会失去其精度。
本文针对上述三大问题，提出一种基于改进转子磁链滑模观测器和正切函数锁相环结构的永磁同步电机无传感器转子位置估计策略，提高无位置传感器控制系统在电机转速方向和大小实时变化场合下的位置估计精度。
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（1）提出一种改进转子磁链滑模观测器，该观测器采用与电机转子电角速度相关的自适应反馈增益，引入幅值恒定的磁链分量计算电机转子位置，能够在相对较低的转速范围内提供良好的位置估计性能。
（2）提出了基于正切函数的锁相环结构，克服传统锁相环结构的电机转向突变导致估计转子位置误差增大的问题，用以满足电机转向不断变化的工况场合。
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（1）本文提出了一种基于改进转子磁链滑模观测器和正切函数锁相环结构的永磁同步电机无位置传感器转子位置估计策略。改进滑模观测器采用与电机转子电角速度相关的自适应反馈增益，引入幅值恒定的磁链分量计算电机转子位置，避免电机转速大小变化影响转子位置估计精度。建立了基于正切函数的锁相环结构，使得系统在各个平衡点均渐近稳定，有效克服了传统锁相环估计转子位置在电机转向突变时估计误差增大的问题。
（2）将新型位置估计策略与传统策略作对比实验，对基于本文估计策略下的电机起动和稳态过程中的电机响应波形分析研究，考虑电机转速大小突变和方向突变对转子位置估计的影响。对比传统永磁同步电机转子位置估计策略获得的响应波形，表明本文提出的永磁同步电机无位置传感器转子位置估计策略具有较高的综合控制性能，转子位置及转速估算准确，能够有效克服传统基于反电势位置估计策略的弊端。
魏海峰, 韦汉培, 张, 懿, 储建华. 基于转子磁链模型的永磁同步电机转子位置估计策略[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 2963-2971.
Wei Haifeng, Wei Hanpei, Zhang Yi, Chu Jianhua. New Rotor Position Estimation Strategy for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Rotor Flux Model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 2963-2971.
作 者 简 介
江苏科技大学
魏海峰 1981年生，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电机驱动控制以及复杂控制系统研究。2009年7月至今，在江苏科技大学电子信息学院任教，2017年10月至今，在镇江市电工技术学会任职秘书长。主持在研省部级项目1项，完成国家级项目2项，完成市厅级课题5项，获学会级奖励2项，录用发表核心以上论文44篇，授权发明专利37项。承担的教学课程有“电能质量分析与控制”、“柔性输电技术”等。
韦汉培 1992年生， 男，硕士，研究方向为永磁同步电机无位置传感器控制及伺服控制。