摘要 滑模變結構觀測器由于其較強的魯棒性以及對電機參數變化敏感度低特點，在無傳感器驅動系統中得到了廣泛的應用。但實際系統的不連續性和有限的滑模開關頻率以及滑模開關增益選取不當使得滑模變結構觀測器所估計量存在抖振問題。本文針對實際系統中滑模變結構觀測器觀測量存在的抖振問題，提出了多重化離散控制來代替傳統的滑模變結構觀測器中的符號函數實現多重狀態切換，既保留了傳統滑模具有的優點又有效抑制估計量的抖振現象。仿真和實驗結果表明該方法有效的抑制了SMO估計量的抖振問題，提高了無位置永磁同步電動機矢量控制系統的運行性能。 關鍵詞：永磁同步電動機 抖振 離散滑?？刂?多重化 Abstract Due to the robust estimation performance and low sensitivity to variation of machine parameters, SMO is widely utilized in the sensorless drive system. However, values estimated by SMO does have chattering problem because of the discontinuity and finite switching frequency of the real system. In this paper, a novel sliding mode observer is proposed to circumvent the chattering problem. A multilevel discontinuous control is applied to replace the sign function utilized in the conventional models. The method both preserves the well-known SMO features and effectively inhibits the chattering problem. Results of simulation and experiments show that the method inhibits the chattering problem effectly and enhances the performance of sensorless PMSM vector control system. Keyword: PMSM, chattering, discontinuous control of SMO，multi-level 1 引言 永磁同步電動機以其功率密度高、轉矩慣量比大和效率高等優點越來越多的應用于伺服控制。永磁同步電動機的磁場定向和矢量控制的實現需要轉子轉速和轉子位置信息。在交流伺服驅動控制中常用光電編碼器、旋轉變壓器和霍爾傳感器來提供轉子轉速和轉子位置信息，但是這些傳感器的使用增加了系統的費用以及維護費用，同時還降低了系統的穩定性和可靠性。因此許多估計轉子轉速和轉子位置的無傳感器技術得到了廣泛的發展。 文獻[1]利用定子端電壓和電流直接計算出轉速和轉子位置，這種方法計算簡單、動態響應快、延遲小，但需要準確的電機數學模型。此方法需要結合參數自辨識來實現較準確的轉子轉速和轉子位置估計；文獻[2-3]中采用高頻注入法等實現了對轉速和轉子位置的估計，這種方法能很好的解決低速和超低速時轉速和轉子位置估計問題，但實現起來相對比較困難，尤其是電機低速運行時非線性因素較為突出；文獻[4-6]采用擴展卡爾曼濾波算法來估計對轉子轉速和轉子位置，但該算法對轉速和轉子位置的觀測計算量大，而且永磁同步電動機啟動階段估計值收斂到實測值的延遲效果較大；文獻[7]運用神經網絡理論來實現對轉速和轉子位置的估計，此類智能算法特別復雜，參數設計比較困難不利于實現。文獻[8-10]運用了滑模變結構觀測器來實現對轉子轉速和轉子位置的估計，可以看出該算法魯棒性強，對電機參數變化的敏感度低?；Ｗ兘Y構觀測器只有在離散系統開關頻率為無窮大時才能夠達到理論上的效果。實際上，有限的開關頻率和相對理想狀態下較低的采樣頻率都會使系統估計量出現抖振現象，其中滑模開關增益選取不當是出現抖振現象最主要的原因。 本文通過對滑?？刂菩盘柕亩嘀鼗?，減小了滑模開關增益實現多重切換狀態從而有效地抑制了滑模變結構觀測器估計量的抖振問題。文中所述的滑模變結構觀測器在基于DSP2812永磁同步電動機數字控制系統中實現。仿真和實測結果驗證了本文提出這種新型滑模變結構觀測器的有效性。 2 多重化離散控制的滑模觀測器 2.1 永磁同步電動機的數學模型 2.2 傳統滑模變結構觀測器 基于（1）式，滑模變結構觀測器可構造為： 一般來說，滑動模態在邏輯切換時與切換面形成的區域越小越有利用使實際運動趨近于理想滑模運動。邏輯切換與切換面形成的區域寬度的最大值由離散控制的頻率以及它的開關增益共同決定。正常情況下，只需要確定全速范圍內滑模開關增益值，使滑模運動穩定運行。但是觀測量的抖振范圍隨著運行條件不同而變化。當電機運行在低速時，固定開關頻率下相對較大的開關增益可能使得定子電流的估計誤差變大。 從上圖可看出滑模離散控制通常只有兩種狀態。 區域內系統是線性連續的；然而卻不能進一步驗證是否收斂于零。 2.3 多重化控制滑模變結構觀測器 把（3）式化為離散化形式可得： 2.4 基于滑模變結構觀測器的永磁同步電動機矢量控制系統 圖2為無位置傳感器永磁同步電動機矢量控制驅動系統，系統包括一個轉速外環和兩個電流內環以及本文提出的自適應滑模變結構觀測器。此外也包含傳統矢量控制部分：Clark、Park變換和它們的反變換，SVPWM模塊以及三相電壓源逆變器和永磁同步電動機。轉子位置通過滑模變結構觀測器來估計得到，矢量控制采用Id=0的控制策略。 [align=center] 圖2 系統控制框圖 Fig2 The structure block diagram of control system[/align] 3 實驗與分析 永磁同步電動機的主要參數為：定子電阻0.4Ω，交、直軸電感8.6mH，極對數4，永磁體0.213Wb，額定功率600W,額定轉矩2.5 N•m，額定轉速3000rpm。系統的采樣頻率為10kHz，母線電壓為310V，最大相電流為5.8A。此外，采用2500-pulse增量式碼盤用來測量初始轉子校正角度。 圖2和圖3分別為永磁同步電動機轉速為250rpm時，電動機空載和滿載的仿真結果。 [align=center] 圖2 多重化滑模觀測器的仿真實驗結果 Fig2 Simulation results of Multi-Level SMO : no load. 圖3 多重化控制滑模觀測器的仿真實驗結果 Fig3 Simulation results of Multi-Level controlSMO : 2.5-Nm load.[/align] 圖4和圖5 分別為永磁同步電動機轉速為250rpm時，永磁同步電動機空載和滿載的實驗結果。 [align=center] （b） （d） 圖4 多重化控制滑模觀測器空載實驗結果: （a）碼盤測量信號;（b）SMO估計信號 （c） 軸上滑?？刂菩盘枺唬╠） 軸上滑?？刂菩盘? Fig4 Experimental results of Multi-Level control SMO:no load （a）signal measured by encoder; （b）signal estimated by SMO （c）stationary- axis sliding control; （d）stationary- axis sliding control （b） （d） 圖5 多重化控制滑模觀測器滿載實驗結果: （a）碼盤測量信號；（b）SMO估計信號 （c） 軸上滑?？刂菩盘?；（d） 軸上滑?？刂菩盘? Fig5 Experimental Results of Multi-Level SMO:full load （a）signal measured by encoder;（b）signal estimated by SMO （c）stationary- axis sliding control;（d）stationary- axis sliding control[/align] 從仿真結果看出，無論永磁同步電動機空載還是滿載，前0.05秒內估計轉子位置與實測轉子位置存在較大誤差，這是因為電動機剛啟動時轉速較低，反電勢較小導致SMO估計量偏離實際值。啟動結束后由于反電勢足夠大，所以SMO估計的轉子位置與實測值幾乎沒有誤差。實驗中，電機軸存在機械摩擦使得電機啟動時轉速上升較仿真慢，但估計轉子位置經過一個電周期后與碼盤實測轉子位置誤差很小。同時，在永磁電動機空載和滿載的情況下無論仿真還是實驗，滑模觀測器估計出的電動機轉子位置和兩相靜止坐標軸上的滑?？刂菩盘柷€都非常平滑，有效地消除了抖振現象，這充分驗證了本文提到的滑模觀測器的多重化控制可行性和有效性。 4 結論 本文在傳統滑模變結構觀測器永磁同步電動機矢量控制的基礎上，提出了一種多重化控制的滑模變結構觀測器。該方法估計出的轉子角度曲線更平滑、更準確，尤其是在帶載條件下，同時也保留了傳統滑模觀測器魯棒性強等優點。本文提出的多重化滑模觀測器已成功地用于永磁同步電動機矢量控制中。由上述仿真和實驗結果驗證了多重化控制滑模變結構觀測器的正確性和有效性。 參考文獻 [1] Malakondaiah Naidu,Bimal.Bose. 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