基于 ESO-PLL 的永磁同步電機無位置傳感器控制

1、PMSM
的無位置傳感器控制方法分為兩類，一類是適用于零、低速范圍的高頻注入法，另一類是適用于中、高速范圍的觀測器法。在中、高速范圍，最常見的方式是首先構(gòu)造反電動勢或磁鏈觀測器，然后再提取出反電動勢或磁鏈中包含的轉(zhuǎn)速或位置信息。觀測器方法在零、低速范圍穩(wěn)定性較差并有可能完全失效。對于反電動勢觀測器，由于零、低速范圍內(nèi)的反電動勢信噪比
較高，尤其在接近零速時，轉(zhuǎn)子在任何位置的反電動勢均接近
0，會導(dǎo)致無法提取有效信息。逆變器非線性因素(功率管壓降、死區(qū)等)會使觀測結(jié)果中出現(xiàn)一定諧波分量，有研究表明諧波幅值會導(dǎo)致算法在零、低速范圍不穩(wěn)定。理論上，由于轉(zhuǎn)子磁鏈不為
0，所以磁鏈觀測器并不受轉(zhuǎn)速幅值的限制，但其穩(wěn)定性依然受其它幾項因素影響。
2、在觀測出反電動勢或磁鏈信息后，可直接通過反正切計算轉(zhuǎn)子位置，然后用微分計算轉(zhuǎn)速，但微分無法抑制噪聲，甚至可能使計算結(jié)果發(fā)散。鎖相環(huán)(phase
locked loop，PLL)方法通過 PI 環(huán)節(jié)得到轉(zhuǎn)速信息，無需微分運算。PLL 已在無位置傳感器控制中取得廣泛應(yīng)用。PLL
有多種形式，如旋轉(zhuǎn)坐標系型、速度跟蹤器型、外差法等。雖然傳統(tǒng)PLL具備較好的誤差抑制效果，但在轉(zhuǎn)速變化時的動態(tài)性能欠佳。
3、為改善無位置傳感器控制器的性能，可通過全維、降維觀測器或模型參考自適應(yīng)法等，利用自適應(yīng)律或超穩(wěn)定性等方式得到轉(zhuǎn)速，但需大幅改變算法結(jié)構(gòu)。如果繼續(xù)使用常見的反電動勢或磁鏈觀測器，可構(gòu)造額外的轉(zhuǎn)速觀測器，也可在二階
PLL
中增加補償。]利用電機的機械運動方程構(gòu)造了轉(zhuǎn)速觀測器。文獻使用外差法構(gòu)造了模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估計器，并將估計轉(zhuǎn)速作為反饋來改進反正切運算。文獻提出了一種帶前饋補償?shù)?br> PLL，前饋補償項是通過一階低通濾波器濾除高頻噪聲與干擾，利用泰勒展開可從理論上證明：該類 PLL 在角度為拋物線函數(shù)時的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差為
0。文獻中提出了一種基于 p 分量構(gòu)造的帶前饋補償?shù)?PLL。文獻利用小信號法分析了負載變化過程，并在此基礎(chǔ)上提出了帶轉(zhuǎn)速補償?shù)脑鰪娦?br> PLL，從而提高負載變化時的魯棒性。關(guān)于如何通過 PLL 使動態(tài)性能在轉(zhuǎn)速指令與負載變化時均得到改善，相關(guān)研究還比較少。

本文提出了一種形式簡單且不使用任何機械參數(shù)的高階 PLL 方法：以角加速度為擴張狀態(tài)變量 來 構(gòu) 造 擴 張 狀 態(tài) 觀 測 器 (extended state observer，ESO)，并將其作為 PLL 中的環(huán)路濾波器(loop filter, LF)，ESO 中的位置估計過程為壓控振蕩器(voltage-controlled oscillator, VCO)，反正
切所得角度與 ESO 計算所得角度之差為鑒相器(phase detector, PD)。并分析了 ESO-PLL 的增益整定方式。通過仿真與實驗驗證，ESO-PLL 可有
效提升電機在轉(zhuǎn)速指令與負載變化時的動態(tài)性能。

說白了，就是在基于數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對原來PLL的這方面進行一個優(yōu)化改造，很簡單，請仔細看
當然，傳統(tǒng)PLL的模型我就不在綜述，有不會的同學(xué)在下面留言

傳統(tǒng)PLL的控制框圖**

PLL的傳遞函數(shù)

2、ESO-PLL 原理及增益選取

2.1、ESO-PLL 基本結(jié)構(gòu)

下面對本文提出的 ESO-PLL 進行推導(dǎo)。將轉(zhuǎn)速的微分作為 ESO 中的擴張狀態(tài)變量，該變量物理意義為角加速度。無論處于穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)，電機電角度、轉(zhuǎn)速、角加速度三者之間均為導(dǎo)數(shù)關(guān)系：

式中，ae表示角加速度，d 表示加加速度。
以上式為模型的狀態(tài)方程為天然串聯(lián)積分
型。根據(jù)線性系統(tǒng)理論，系統(tǒng)矩陣 A、C 分別表
示為：

可驗證狀態(tài)方程滿足可觀性條件：

由上述推導(dǎo)，ESO 的結(jié)構(gòu)如下式所示。在ESO 中將加速度作為擴張狀態(tài)變量處理，避免了使用機械運動方程，只整定觀測器增益即可，無需額外辨識轉(zhuǎn)動慣量等機械參數(shù)

式中，z1、z2、z3 為狀態(tài)變量，β1、β2、β3 為ESO 增益(β1、β2、β3>0)。綜上分析，本文提出的用于轉(zhuǎn)速估計的ESO-PLL 的基本原理圖如下圖 所示。反正切與PLL 所得角度之差為 PD，ESO 作為 LF，ESO 中
的角度估計環(huán)節(jié)為 VCO。無位置傳感器矢量控制結(jié)構(gòu)如下下圖 所示

ESO-PLL 基本原理圖

無位置傳感器矢量控制原理圖

2.2、對于增益的選取我就不說了，這就在simulink里面給你們

3、simulink總體仿真

3.1、轉(zhuǎn)速環(huán)

3.2、電流環(huán)

3.3、mod

3.4、SMO

這里面的SMO
這里面的ESO_SMO
這里面的ESO
這里面的ESO的增益數(shù)值

3.5、實際位置與跟蹤位置

3.6、實際位置與跟蹤位置的誤差

3.7、實際轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速

3.8、實際轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速的誤差

4、總結(jié)

由于這篇博客是根據(jù)別人的論文復(fù)現(xiàn)的，所以只能是呈現(xiàn)這種效果，能力有限，參數(shù)上面有待提高，還有就是磁鏈觀測器和滑膜觀測器的效果差不多，不用計較這個，還有一些參數(shù)我好像沒有截圖給出具體的值，你們?nèi)绻胙芯空堅u論我給你們發(fā)具體數(shù)值文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-606932.html

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