三相永磁同步电机无传感器矢量控制方案
张可明+卢秀和
摘 要：永磁直线同步电机广泛地应用于精密工业制造业，高精度的数控机床伺服系统等高精密工业领域。但传统的用于速度检测的光电编码器、光栅尺等速度检测器的存在阻碍着电机的高精密发展。文章根据永磁直线同步电机的工作原理，建立其数学模型，结合国内外的无传感器控制的相关文献，综述无传感器控制技术在永磁直线同步电机控制策略中的应用，分析不同控制策略能的优缺点。
关键词：永磁同步直线电机；无传感器；控制策略
引言
一般而言，要实现直线电机伺服系统的精确控制，必须在系统中安装检测速度的速度传感器。但速度传感器的存在不仅增加了系统的成本，而且还阻碍着电机的高精密化发展。为了解决这一问题，无传感器控制技术应运而生。本文根据永磁直线同步电机的工作原理，建立其數学模型，在大量参阅了国内外的无传感器控制策略的相关文献情况下，介绍了几种无传感器控制技术在永磁直线同步电机控制策略中的应用，针对不同期望特性的控制系统，应选取合适的控制策略，才能满足伺服系统的要求。
1 永磁直线同步电机的工作原理与数学模型
1.1 电机的工作原理
与旋转电机类似，永磁直线同步电机的工作原理也是利用电磁作用将电能转化为动能。在电机的初级端的三相绕组施加三相对称正弦电流，气隙中会产生气隙磁场，且该磁场并不是旋转的，而是沿着直线方向呈正弦分布，称为行波磁场。行波磁场与次级端的永磁体相互作用，就会产生电磁推力。在电磁推力的作用下，初级沿着行波磁场的运动的反方向做直线运动。
1.2 电机的数学模型
为简化分析电机的数学模型，理想状态下电机在坐标系下的动态方程为：
式中Ld、Lq分别为交直轴电感；id、iq分别为交直轴的电流分量；？鬃d、？鬃q分别为交直轴轴磁链；？棕r为动子等效角速度，？鬃f为动子永磁体磁链，R为定子电阻。
2 无传感器控制策略在直线电机伺服系统中的应用
2.1 滑模变结构控制策略
滑模变结构控制的基本原理是根据控制系统期望的控制效果设计一个切换超平面，在不连续的控制律作用下，使系统结构不断地变换，并不断地观测定子的电流的大小，保证观测的电流值与实际的定子电流值误差较小，使系统在一定条件下沿期望的状态轨迹作高频小幅度上下运动。通过这种高频率的来回调节，强迫系统的状态沿着超平面向平衡点滑动，使系统最后渐进稳定在平衡点的允许范围内，即滑动模态运动，如图1所示。滑模变结构控制策略结构简单、响应速度快，又由于可以设计其滑动模态，抗干扰能力较强，系统鲁棒性好，但存在着系统不能自起动，严重依赖电机参数等问题。
2.2 模型参考自适应控制策略
模型参考自适应控制策略的基本原理是将全含已知参数的系统方程作为参考模型，将含有未知参数的系统方程作为可调模型，且这两个模型的输出量物理意义相同。系统运行时，参考模型和可调模型同时启动，并利用二者输出量的差值，根据系统自适应机构设置的自适应控制算法来调节可调模型的控制参数，从而实现控制系统的输出量在线实时跟踪系统的参考模型，控制策略的原理图如图2所示。模型参考自适应控制策略基于稳定性设计，具有较好地全速域稳定性和动态性能，但也存在着运算复杂，参考模型的选取依赖电气参数，且系统的鲁棒性较差等问题。
2.3 扩展卡尔曼滤波器控制策略
扩展卡尔曼滤波器控制策略的基本原理是首先建立以定子电流和转子磁链为状态变量，以速度为参数的电机状态方程，然后将该状态方程线性化处理，最后根据卡尔曼滤波器的递推公式估算电机的转速，该控制策略的原理图如图3所示。扩展卡尔曼滤波器控制策略具有收敛速度快，系统有较好的抗干扰能力，但由于该控制系统需要精确的电机数学模型，且滤波器需要的统计参数较多，系统的算法比较复杂，需要大量调试控制器的参数。
3 结束语
无传感器控制技术在电机速度和位置检测的应用意义重大，不仅解决了传感器增加系统成本、降低系统稳定性等问题，还提高了电机的动态性能。本文针对在永磁直线同步电机伺服系统中使用速度/位置传感器的缺陷，综述了滑模变结构、模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波器的无速度传感器控制策略在永磁直线同步电机伺服系统中的应用和比较，为进一步研究无传感器控制技术在电机控制技术的研究和开发提供参考。
参考文献
[1]陆华才.永磁同步电机无位置传感器控制介绍[J].电机技术，2012（06）：25-28.
[2]刘英培，万健如，梁鹏飞.基于扩展卡尔曼滤波器和空间电压矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2009
（27）：67-74.
[3]李月凡，刘军.永磁同步直线电机的滑模变结构控制[J].科技与创新，2015（21）：20-21.
作者简介：张可明，汉族，河南省项城市人，长春工业大学硕士研究生，研究方向为数字传动控制技术。
卢秀和，汉族，吉林省长春市人，长春工业大学硕士研究生导师，研究方向为数字传动控制技术。
