电梯系统永磁同步电机的无传感器速度控制

在检查永磁同步电机 (PMSM) 无传感器速度控制时，会考虑能源效率、成本和其他方面。

作者：李向伟、罗志群、万建如

电梯系统的性能很大程度上取决于其曳引机的性能和控制方法。 在检查永磁同步电机 (PMSM) 无传感器速度控制时，会考虑能源效率、成本和其他方面。 滑模控制 (SMC) 对参数波动和扰动具有鲁棒性，而模型参考自适应系统 (MRAS) 可以根据参考模型和可调模型的输出调整模型输出。 为了提高转子速度和磁通的估计精度，两种方法相结合。 仿真和实验结果验证了该控制方法对转子转速和转矩的波动和扰动具有鲁棒性，体现了良好的系统鲁棒性。

介绍

对于乘客来说，电梯的要求是安全、舒适、高速、振动小等。对于电梯设计者和制造商来说，要求包括节能、高效、低成本、维护方便等。因此，电梯系统要满足双方的要求。 ，以及高性能标准。 由于系统取决于曳引机的性能和控制模型，因此为系统选择合适的电机结构和控制模型至关重要。

PMSM 机组的速度驱动方式由于具有低噪声、高精度、舒适性、易用性等特点，是目前电梯驱动技术的主要研究热点。 然而，传统的机械传感器易受温度、湿度和其他环境条件。 系统抗干扰性和稳定性差，传感器本身及其辅助电路价格昂贵； 因此，无传感器速度控制正成为研究热点。 [1]

本文将讨论 SMC 和 MRAS 在估计 PMSM 转子速度方面的优势，构建误差状态方程以更准确地估计转子的速度和磁通，并实现无传感器速度控制。

滑模变结构 MRAS Observer 构造基础 MRAS

MRAS 估计器使用两种模型：一种是没有未知参数的参考模型，另一种是具有未知参数的可调模型。 两者具有相同的输出。 这些实际和估计输出的误差被馈送到自适应机制，以估计调整可调模型的可调参数，从而将这些模型之间的输出误差驱动到零。 [2&3] 系统结构如图 1 所示。

使用变结构MRAS识别速度的目的是寻找等效速度weq，使受随机和不确定性影响的实际速度可以遵循给定的速度； 那是：

酸橙_i(t）= 0

t ∞

状态误差方程构建

由于定子电流方程在 d-q 轴参考系中含有参数 w，因此将该电流方程作为可调模型，而实际电机作为参考模型。[1] 注意，在表面永磁 (SPM) 电机中，Ld = Lq = L，可调模型矩阵形式如下：

那么，等式 1 可以简化：

估计模型可以简化如下：

和 q 轴定子电流估计值，分别。 角速度的估计值为。

估计的模块可以写成

状态错误可以定义为 e_i

取 ei 的时间导数, 我们发现

                                  （公式5）

滑动面设计

当满足方程 S(x) = S'(x) = 0 时，滑模观测器可以在有限的时间内到达滑动面并停留在其上。

当达到滑模时，S(e)将为零，具有良好动态性能的滑动是渐近稳定的。 根据该原理，可得MRAS速度观测器的变结构切换函数为

等式1减去等式4可以达到状态误差

当系统稳定时，误差几乎为零：

将等式2代入等式8，状态误差表示为

与一般滑动面相比，整体滑动面具有以下优点：电机转矩可以平滑得多，可以减少系统的稳态误差，减少颤振[4]。 本文选用积分滑动面，如下图所示：

其中 k 表示积分增益。

转速估计

基于等式 1，对 S 取时间导数，我们得到

其中 f(x) 是参考电流 i 的函数d中，q, 估计电流 , , 电压 ud，你q、转子角速度 w、转子磁通 yr、定子电阻 R 和定子电感 L。

由式 10 可知，

总是很满意。 所以，M肯定存在，当M足够大时，所有靠近开关表面积的点都接近表面； 即，满足以下不等式：

从公式 12 可知，当估计电流值等于参考值时，等效速度等于实际速度。

使用正弦函数，速度观测器表达式可以写为

为了抑制和消除滑模控制过程中的颤振，更准确地估计转子速度和磁通，将传统的正弦函数替换为sigmod函数。 Sigmod 函数在公式 14 中给出。 [5]

那么，速度观测器可以表示为

其中 M 是一个大于零的常数。 根据波波夫的超稳定理论， 的低频分量是等效速度。

仿真结果

仿真参数设置如下： 外环PI控制器：K_p = 5，K_I = 6; 内环PI控制器：K_p = 0.01，K_I = 0.01; 滑模变结构MRAS速度观测器参数：M=3,000； 积分滑动面参数：k = 10； 和低通滤波器带宽：120 Hz。

模拟条件设置如下：电机速度从 2,000 到 2,500 rpm 的阶跃变化； 负载转矩从 1 到 4 N·m 突然变化，而电机以 2,500 rpm 的速度运行。 通过观察转子转速和转角的估计波形和实际波形，证明了该算法的可行性。

波形如图 2 和图 3 所示：

图 2(ac) 显示了 2,000 到 2,500 rpm 的电机速度步进波形，用于观察基于滑模变结构 MRAS 和 PMSM-DTC 的系统在速度步进时的响应和动态性能。 如图2(a)所示，滑动面通过零值附近，波幅略有减小。 所有这些都说明滑模交叉频率在一定程度上增加但保持稳定。 图2(b)表明观测器跟踪性能好，稳态误差小，速度阶跃时速度响应快且稳定。 在图 2(c) 中，估计转子角和实际转子角之间的误差几乎稳定为零。 速度步进时有脉冲，但仍可达到新的稳态。 稳态误差低，不会影响系统性能。

图 3(ac) 表示当电机以 1 rpm 旋转时施加 4 到 2,500 N·m 的突然负载扭矩时的仿真波形。 波形用于观察负载转矩突变时系统的鲁棒性。 如图3（a）所示，在扭矩突变后，开关宽度减小，通过滑动面的次数和频率增加但保持稳定。 从图3(b)可以看出，当转矩突变时速度明显下降，但经过一段时间的调整后，能够恢复到稳态，稳态误差很小。 在图 3(c) 中，估计转子角和实际转子角之间的误差几乎稳定为零。 扭矩突变时有脉冲，但仍能达到新的稳定状态。 稳态误差低，不会影响系统性能。

实验结果

本文讨论的 PMSM 系统参数如下所示：额定电压：380 V，额定电流：1.5 A，额定功率：550 W，额定转速：1,500 rpm。 直流电机与作为负载的永磁同步电机同轴连接。 基于硬件电路和C编程语言验证了本文滑模变结构MRAS和PMSM-DTC的性能。

实验条件如下：速度从 800 转至 1,000 rpm，扭矩在 1,000 rpm 时突然变化。 通过观察速度波形验证了该方法的可行性。 图 4 和图 5 分别显示了波形。

图 4 显示了电机速度从 800 转至 1,000 rpm 时的速度波形。 通道 (CH) 1 是速度传感器输出，而 CH 2 是建议的观测器估计输出。 图4显示，当有速度扰动时，估计速度没有跳跃，仍然稳定，能够跟踪实际速度。

图 5 显示了扭矩在 1,000 rpm 时突然变化时的速度波形。 CH 1 是速度传感器输出，CH 2 是建议的观测器估计速度。 图 5 还表明，当存在转矩扰动时，估计速度没有跳跃，仍然稳定并且能够跟踪实际速度。

结语

本文提出的方法结合了两个优点。

仿真和实验结果表明，所提出的基于变结构MRAS和PMSM-DTC的无速度传感器控制系统具有速度和转矩突然扰动的不变性，能在短时间内达到新的稳态，体现了系统的鲁棒性。

案例
[1] 刘英培（2007）。 电梯驱动永磁同步电机无速度传感器控制研究[D]，天津：天津大学。
[2] 耿杰、陈震、刘向东、赖志林（2011）。 永磁同步电机的自适应逆控制[J]，中国电工技术学报，26(6)：p． 50-55。
[3] Laick, Kuoks (2005)。 一种通过滑模控制方法实现增量运动系统的新型电机驱动设计 [J]，IEEE，工业电子学，52(2)：p。 499-507。
[4] 童克文、张星、张毅（2008）。 基于新可达定律的永磁同步电机滑模变结构控制[J], 中国电机工程学报, 28(21): p. 102-106。
[5] Hongryel Kim、Jubum Son 和 Jangmyung Lee（2011）。 用于 PMSM 无传感器速度控制的高速滑模观测器 [J]，IEEE，工业电子学报，58 (9)：p。 4069-4077。