本文著重介紹了一種改進(jìn)算法，即取消相電流傳感器且采用滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器速度控制。
永磁同步電機(jī)（PMSM）是近年來(lái)發(fā)展較快的一種電機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子采用永磁鋼，屬于無(wú)刷電機(jī)的一種，具有一般無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。
本文討論空間矢量控制的永磁同步電機(jī)，采用磁場(chǎng)定向算法借助DSP高速度實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。由于控制算法必須獲取轉(zhuǎn)子位置信息，所以傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都需要以光電編碼器等作為轉(zhuǎn)子位置傳感器。為了最大限度減少傳感器，本文從改變相電流檢測(cè)方法，建立采用砰－砰控制的滑模觀測(cè)器，介紹一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的模型。
2 磁場(chǎng)定向原理
磁場(chǎng)定向控制，簡(jiǎn)稱FOC。如圖1所示，兩直角坐標(biāo)系：αβ坐標(biāo)系為定子靜止坐標(biāo)系，α軸與定子繞組a相軸重合；dq為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合，并以同步速ωr逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。兩坐標(biāo)系之間的夾角為θe?？梢园讯ㄗ与娏骶C合矢量is，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq軸上如下式分解
is＝isd＋isq （1）
在交流永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子為永磁鋼，可認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的模大小不變，常用常數(shù)值IF代表。根據(jù)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T與定、轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的普遍關(guān)系式［2］
式中p———極對(duì)數(shù)
L12———定、轉(zhuǎn)子互感
i1———定子電流綜合矢量
i2———轉(zhuǎn)子電流綜合矢量
δ———定、轉(zhuǎn)子綜合矢量間夾角
這樣電磁轉(zhuǎn)矩只隨｜i1｜和角δ變化。為了獲得簡(jiǎn)單可控的轉(zhuǎn)矩特性，可以給定定子電流綜合矢量指令使其始終在q軸上，即δ＝90°，從而得
式中Is———定子電流綜合矢量的模
按上式可以實(shí)現(xiàn)用定子電流綜合矢量的模來(lái)直接控制電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)獲得類似直流電動(dòng)機(jī)的伺服性能，并可得到快速無(wú)靜差的調(diào)節(jié)特性。圖2為系統(tǒng)控制框圖。
該速度控制系統(tǒng)由速度、電流雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn)，采用的算法由相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)，包括：Park變換模塊，Clark變換模塊，反Park變換模塊，轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)模塊，轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊，弱磁控制模塊，PI調(diào)節(jié)模塊，空間矢量PWM生成模塊等。整個(gè)控制系統(tǒng)，以DSP芯片為核心再配以簡(jiǎn)單的外圍電路，其復(fù)雜的控制算法及功能全部由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中每一個(gè)控制模塊，對(duì)應(yīng)一C調(diào)用函數(shù)，主函數(shù)流程用C語(yǔ)言編制。與有位置傳感器的控制系統(tǒng)相比，無(wú)位置傳感器系統(tǒng)僅在對(duì)反饋量的處理中采用了轉(zhuǎn)角觀測(cè)器模塊函數(shù)，而對(duì)其他控制模塊，而系統(tǒng)可以以完全相同的方法實(shí)現(xiàn)，這更顯示了軟件構(gòu)成系統(tǒng)的靈活性。
3 無(wú)傳感器算法
3．1 減少一路電流傳感器方法
在逆變器控制中都需要相電流信息，傳統(tǒng)采用的方法是直接用傳感器獲得需要的相電流，這種方法依賴負(fù)載的布置，并且至少需要兩個(gè)傳感器直接應(yīng)用于電機(jī)組繞組。本文介紹的方法是僅通過采集直流側(cè)母線電流信息，來(lái)估計(jì)交流側(cè)三相電流值。因?yàn)槟孀兤鏖_關(guān)狀態(tài)是我們直接控制的，所以已知輸入電流的路徑，即輸入線電流和電機(jī)相電流間的關(guān)系。這樣在通常八個(gè)開關(guān)狀態(tài)（Sa，Sb，Sc）中除（0，0，0）和（1，1，1），在其他六個(gè)開關(guān)狀態(tài)下，直流側(cè)線電流信息總對(duì)應(yīng)a，b，c中某一路相電流值。
式（8）為基本電流觀測(cè)器，式（9）為BANG－BANG控制器。二者組成滑模電流觀測(cè)器，目的是通過適當(dāng)選擇Z和估計(jì)反電勢(shì)，使估計(jì)電流和實(shí)測(cè)電流誤差為零。二者離散形式為
（2）估計(jì)反電勢(shì)
（3）轉(zhuǎn)子磁鏈位置θ估算
由反電勢(shì)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈位置角，式（14）為反電勢(shì)綜合矢量表達(dá)式，可根據(jù)反電勢(shì)在α、β軸上的分量來(lái)求解轉(zhuǎn)子磁鏈位置角，即式
（4）轉(zhuǎn)子磁鏈位置校正
采用低通濾波器來(lái)獲得反電勢(shì)，引入了相延遲。該延遲與低通濾波器的相位響應(yīng)直接相關(guān)，其截止頻率越低，對(duì)應(yīng)固定頻率的相延遲越大。
基于低通濾波器的相位響應(yīng)，做一個(gè)相延遲表，可以通過查表求得運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)指令速度（頻率）的相移角。該相移角加上得到。
4 系統(tǒng)軟件流程
主程序流程如圖6所示，只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務(wù)，然后處于等待狀態(tài)。完整的FOC控制算法在PWM中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)中斷周期內(nèi)，流程依照系統(tǒng)控制框圖圖2，從一路AD采樣電流，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角，計(jì)算轉(zhuǎn)速，完成所有反饋通道計(jì)算后，再調(diào)用正向通道中計(jì)算模塊函數(shù)，最后輸出三相逆變橋的空間矢量PWM波信號(hào)。
