北京交通大学王琛琛、苟立峰 等：基于改进的离散域二阶滑模观测器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制

阅读提示：本文约 1800 字

永磁同步电机的无位置传感器控制能够降低牵引传动系统成本，提高运行可靠性。滑模观测器作为一种非线性鲁棒控制能够应用于无位置传感器控制中，对系统模型的不确定性和扰动具有很好的鲁棒性，然而传统滑模观测器存在严重的系统抖振。

北京交通大学电力电子所电传动控制团队提出了一种用于内置式永磁同步电机无位置传感器控制的改进型离散域Super-twisting滑模观测器，在保证估算扩展反电动势准确性的同时能够有效抑制抖振，同时解决了数字化实现中存在的离散化误差和反电动势交叉耦合问题。

研究（项目）背景

内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）因具有功率密度高、效率高、调速范围宽等特点，在工业领域有着广阔的应用前景，近年来在轨道交通、电动汽车、风力发电等领域的应用日益增多。IPMSM无位置传感器控制可降低系统成本、提高系统运行可靠性、节省电机安装空间，逐渐成为研究的热点。

论文所解决的问题及意义

IPMSM无位置传感器控制主要分为：应用于零低速范围基于凸极特性的方法和应用于中高速范围基于基波模型的方法。基于基波模型的方法通过估算反电动势来估算出转子位置和转速。因IPMSM的d、q轴电感不对称，需要构建观测器，通过观测扩展反电动势来估算转子位置和转速。

滑模观测器作为一种非线性鲁棒控制策略，对系统模型的不确定性和扰动具有较好的鲁棒性，然而传统的滑模观测器存在严重的系统抖振，这是实际工程应用中不期望出现的。有效解决系统抖振问题，能够提高估算转子位置的性能，有助于基于滑模观测器的无位置传感器控制在实际工程中推广应用。

论文方法及创新点

通过对常规的超螺旋(Super-twisting)滑模观测器的研究发现，在实际应用中由于控制频率受限，Super-twisting滑模观测器无法实现理论上有效抑制抖振的特性，造成转子位置误差，影响控制性能，实验结果如图1所示。

图1 常规Super-twisting滑模观测器实验结果

为了解决系统的抖振问题，本文基于内模控制原理，在Super-twisting滑模观测器中引入正弦信号的二阶广义积分器（Second Order Generalized Integrator, SOGI）作为估算的扩展反电动势的内模，获得实际扩展反电动势和估算扩展反电动势之间的误差信号，再将扩展反电动势误差信号作为SOGI的输入，最终输出估算的扩展反电动势，其结构如图2所示。本文所提出的改进的Super-twisting滑模观测器在保证估算扩展反电动势的准确性的同时能够有效抑制抖振，进而准确估算转子位置，实验结果如图3所示。

图2 带SOGI的Super-twisting滑模观测器结构

图3 带SOGI的Super-twisting滑模观测器实验结果

另外，在实际工程应用中控制算法通常需要在数字控制器中实现，因此需要选择合适的离散化方法对基于连续域模型设计的观测器进行离散化。在连续域模型的离散化过程中，一方面会引入离散化误差，另一方面未考虑反电势分量的交叉耦合效应，进而影响估算反电势的准确性。

为解决上述问题，本文重新构建离散域扩展反电势模型，并根据构建的IPMSM离散域扩展反电势模型直接设计了改进的离散域Super-twisting滑模观测器。搭建了如图4所示的3 kW IMSM牵引传动平台，在平台上开展了稳态运行、速度变化、转矩变化等不同工况下的实验研究，验证了本文提出的控制策略的有效性。

图4  IPMSM实验平台

结论

针对基于Super-twisting滑模观测器的IPMSM无位置传感器控制在实际工程应用中存在的抖振现象和估算精度较差的问题，本文提出一种改进的Super-twisting滑模观测器用于估算扩展反电动势，在保证观测器估算准确性的同时能够有效抑制系统抖振。同时构建了精确的离散域扩展反电动势模型，并基于该模型设计了改进的离散域Super- twisting滑模观测器，进一步提高了数字实现过程中的估算精度。

团队介绍

北京交通大学电气工程学院电力电子研究所电传动控制团队主要研究方向包括轨道交通电传动、绿色能源变换和特种电源等，现有教师7名，其中教授3人，副教授3人，2019年被评为北京交通大学优秀导学团队。目前共有研究生58名，其中博士研究生12人。

近5年来团队共发表高水平科技论文百余篇，获得20余项国家发明专利，承担包括国家自然科学基金、重点研发计划课题、国际合作项目、军工项目和企业横向课题在内的科研项目几十项。先后完成了具有完全自主知识产权的国产大功率电力机车/高速动车组牵引控制单元核心控制软件研发，辅助变流器控制单元及核心控制软件开发，63MW超大功率航空电源研发等一批产生重大影响的项目，并得到大规模的产业化应用，取得了显著的经济和社会效益。

本文编自2023年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于改进的离散域二阶滑模观测器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

王琛琛, 苟立峰, 周明磊, 游小杰, 董士帆. 基于改进的离散域二阶滑模观测器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(2): 387-397. Wang Chenchen, Gou Lifeng, Zhou Minglei, You Xiaojie, Dong Shifan. Sensorless Control of IPMSM Based on Improved Discrete Second-Order Sliding Mode Observer. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(2): 387-397.

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