永磁同步電機(jī)是采用稀土永磁體代替勵(lì)磁繞組所構(gòu)成的一種新型同步電機(jī)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子無(wú)發(fā)熱問(wèn)題，有較大的過(guò)載能力，較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

與傳統(tǒng)的電磁式同步電機(jī)相比永磁同步電機(jī)無(wú)需電流勵(lì)磁，不設(shè)電刷和滑環(huán)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便，可靠性高。同時(shí)永磁同步電機(jī)的效率比電磁式同步電機(jī)高。與鼠籠式異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高效節(jié)能、體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，且電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格成正比。

電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制，而轉(zhuǎn)矩控制的要求可以歸納為：響應(yīng)快、精度高、脈動(dòng)小、系統(tǒng)效率和功率因數(shù)高等。對(duì)于由三相永磁同步電機(jī)構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)而言，除電磁轉(zhuǎn)矩外無(wú)其它控制量可以影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，如果能快速準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)矩，使得控制系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)能獲得較小的動(dòng)態(tài)速降和較短的恢復(fù)時(shí)間，那么，調(diào)速系統(tǒng)就顧軍男1979年生；畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)，研究方向?yàn)闃怯钭詣?dòng)化、智能建筑；現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)調(diào)速技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)。

理量，如電流、電壓磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)等信號(hào)，估計(jì)辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)自同步運(yùn)行。永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是在數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）出現(xiàn)后才得以發(fā)展起來(lái)的。dsp的高速數(shù)據(jù)處理能力使無(wú)傳感器控制技術(shù)的復(fù)雜算法能得以實(shí)現(xiàn)。

常用的無(wú)傳感器控制技術(shù)有：模型位置估計(jì)法：先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利用電機(jī)模型計(jì)算出在該假設(shè)位置電機(jī)的電壓或電流值，并通過(guò)與實(shí)測(cè)的電壓或電流比較得出兩者的差值，該差值正比于假設(shè)位置與實(shí)際位置之間的角度差。如果該差值減少為0則可認(rèn)為此時(shí)假設(shè)位置為真實(shí)位置。

卡爾曼濾波器估計(jì)法：卡爾曼濾波器可以從隨機(jī)噪聲信號(hào)中得到最優(yōu)觀測(cè)。但采用該算法計(jì)算量很大，濾波器很難確定實(shí)際系統(tǒng)的噪聲級(jí)別和算法中的卡爾曼益，且受電機(jī)參數(shù)的影響較大。

檢測(cè)電機(jī)相電感變化的位置估計(jì)法：利用作為位置函數(shù)的電感變化獲得位置信息。凸極的永磁同步電機(jī)比隱極的永磁同步電機(jī)在利用該方法上更有優(yōu)勢(shì)。

3滑模觀測(cè)器的基本原理與實(shí)現(xiàn)本文所采用的無(wú)位置傳感器算法，在構(gòu)成永磁同步電機(jī)矢量控制雙閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，為了便于理論分析和實(shí)際實(shí)施，需要用到整個(gè)系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量。通常而言，對(duì)于一個(gè)常規(guī)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)x的監(jiān)測(cè)、控制與調(diào)節(jié)都是以x（t）的全部分量己知或可測(cè)量為前提的，然而實(shí)際中卻只有極少數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)象能夠滿足此要求，這是由于一般的系統(tǒng)并非所有的狀態(tài)變量都是可測(cè)量的，或者是雖然可以測(cè)量，但需要花費(fèi)很大的工作量或者測(cè)量起來(lái)十分困難。然而，由于系統(tǒng)q維輸出量y（t）和p維控制量u（t）的全部分量通常都是可測(cè)的，因此，可以借助由這些可測(cè)量來(lái)獲得狀態(tài)變量x（t）的信息，或者即使無(wú)法精確確定x（t）也可以獲得其近似值x（t）（稱x（t）的重構(gòu)量或復(fù)現(xiàn)量），如果它們之間的誤差x（t）=x（t）-x（t）在卜（實(shí)際應(yīng)用時(shí)為觀測(cè)時(shí)間f財(cái)能趨于0問(wèn)題即可解決。

通過(guò)一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器，利用可測(cè)的y（t）和u（t）來(lái)獲得狀態(tài)重構(gòu)（復(fù)現(xiàn)）量x（t）并且在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（實(shí)際應(yīng)用時(shí)為觀測(cè)時(shí)間f）后能使它變得與真正的狀態(tài)變量x（t）完全相等。由此，當(dāng)用狀態(tài)重構(gòu)量（復(fù)現(xiàn)量）x（t）取代x（t）用于反饋時(shí)，就可解決全部狀態(tài)變量不可測(cè)的困難并且為系統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)節(jié)創(chuàng)造條件。

由上述分析，假定無(wú)隨機(jī)擾動(dòng)時(shí)的線性或線性化處理后的定常系統(tǒng)狀態(tài)空間方程有x（t）=ax（t）+bu（t）式⑴中，a、b、c為常系數(shù)矩陣（t）與u（t）假定己知（或可測(cè)），則設(shè)計(jì)的目的就是得到一個(gè)用以確定狀態(tài)變量x（t）的線性觀測(cè)器，為了獲得全部狀態(tài)變量的精確重構(gòu)，在數(shù)學(xué)上要求所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器是收斂的，也即要求滿足同時(shí)還要求其與u（t）和初始狀態(tài)x（0），也即y（0）無(wú)關(guān)。

基于三相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，其反電勢(shì)在定子靜止兩相a坐標(biāo)系統(tǒng)下的分量和及其基波分量為印（艮）=碎1+氣咖式（3）中由此可得由公式（5）可估算出轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)一步計(jì)算可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速信息。

根據(jù)前述分析，可以通過(guò)采用如所示的預(yù)估器來(lái)估算電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。其中滑模觀測(cè)器（sm0）用于估算電機(jī)反電勢(shì)在定子靜止兩相卩坐標(biāo)系統(tǒng)下的分量和啦濾波器用于從e.和中分別檢測(cè)出和eu信號(hào)。最后由公式（5）可估算得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

由三相永磁同步電機(jī)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程模型，建立用于反電勢(shì)估算的smo如下在smo中，由于米用輸出誤差信號(hào)的符號(hào)函數(shù)取代了實(shí)際誤差，使得smo模塊具有高增益特征，且對(duì)參數(shù)變化具有很好的調(diào)節(jié)作用，極大地提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的魯棒性。

4調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真分析bookmark3永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制框圖如所不，基于matlab/sinubbbb仿真的模型如所示。

可知，其構(gòu)成形式為ms！無(wú)位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)框圖pmsm無(wú)位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在模型中，設(shè)定轉(zhuǎn)速為628rad/s直流母線電壓為350v，負(fù)載力矩給定值為0 2nm在004s時(shí)減少為0 1nm.其線電壓波形如所示，三相電流波形如所示；d、q軸電流如所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如所示；輸出轉(zhuǎn)矩如所示；sm0模塊估算轉(zhuǎn)子位置角如所示；sm0角度估算誤差如0所示。

pmsm無(wú)位置傳感器矢量控制輸出轉(zhuǎn)矩波形im制無(wú)位置傳感器矢量控制線電壓波形im搠無(wú)位置傳感器矢量控制svi0估算輸出角度波形pmsm無(wú)位置傳感器矢量控制三相電流波形0無(wú)位置傳感器矢量控制mo角度估算誤差波形pmsm無(wú)位置傳感器矢量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速波形用。從和可以看出，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與交軸電流成正比，驗(yàn)證了d=0電流控制策略的正確性。和0分別為smo估算的轉(zhuǎn)子位置角度及估算誤差，從圖中可以看出，smo模塊估算的轉(zhuǎn)子位置角精度較高，且當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)，仍然具有很高的精度，在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，估算誤差很小，驗(yàn)證了采用無(wú)位置傳感器矢量控制算法的可行性與正確性。

pmsm無(wú)位置傳感器矢量控制dq軸電流波形~可以看出系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)大約10ms的啟動(dòng)時(shí)間后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值628rnd/s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定，三相電流也進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定值。在0 04s時(shí)使負(fù)載突變，由0 2nm突變到0 1n.m轉(zhuǎn)速降低很小，經(jīng)過(guò)短時(shí)間振蕩后，仍然進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，且轉(zhuǎn)速仍然保持約628rad/s幾乎沒(méi)有變化；三相電流減小到一個(gè)新值，力矩變化對(duì)轉(zhuǎn)速影響極小，說(shuō)明系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力較強(qiáng)且速度閉環(huán)起到了很好的調(diào)節(jié)作2公ib波形曲線3iaf、4皮形曲線由~可以看出當(dāng)電機(jī)定子電流突變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩波形產(chǎn)生小幅振蕩，并很快恢復(fù)到平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。由可知，當(dāng)電機(jī)定子電流突變時(shí)，smo模塊的輸入i和將發(fā)生較大的突變，導(dǎo)致預(yù)估器估算的轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速存在一定程度的偏差，從而使得電機(jī)產(chǎn)生小幅振蕩。由于smo采用滑動(dòng)控制并具有高益特征，因此電機(jī)很快又恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。

如1為采用無(wú)位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)在母線電壓為350v速度電流雙閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下ab兩相電流波形。由1可以看出，電流波形中含有較明顯的噪聲信號(hào)，呈周期性出現(xiàn)，其周期與電流有效信號(hào)周期相同。為了提高smo的估算精度，需要合理選擇電流采樣的時(shí)間點(diǎn)，盡可能的減小噪聲信號(hào)的影響。本文采用pwm同步方式來(lái)啟動(dòng)電流采樣，并確保在零矢量作用時(shí)間段的中點(diǎn)時(shí)刻啟動(dòng)ad，這樣可以使得采樣的電流值盡可能的接近其實(shí)際值。

1 350v速度電流雙閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)ab兩相電流波形2為360°電角度對(duì)a、b兩相電流采樣定標(biāo)后的曲線圖，3為經(jīng)過(guò)claike變換后得到的波形曲線。從圖中可以看出通過(guò)pwm同步方式啟動(dòng)電流采樣可以明顯的減小噪聲信號(hào)的干擾，提高電流采樣的精度，從而使得smo模塊的電流輸入具有較高的精度，預(yù)估器的角度估算與實(shí)際角度的偏差盡可能的降低，從而減小電機(jī)的振動(dòng)。

采用pwm同步方式并選擇零矢量作用時(shí)間段的中點(diǎn)時(shí)刻啟動(dòng)ad采樣可以提高電流采樣精度，而采用由smo算法實(shí)現(xiàn)的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，具有較好的穩(wěn)態(tài)特性。

5結(jié)語(yǔ)仿真結(jié)果表明，采用由smo算法實(shí)現(xiàn)的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，具有較好的穩(wěn)態(tài)特性，節(jié)省了硬件成本具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。