基于Luenberger观测器的PMSM无传感器控制仿真

基于Luenberger观测器的PMSM无传感器控制仿真

徐淼[1]，韩军良[1]，杨锋琴[2]，唐传胜[1]，翟卫坤[1]，朱珂谊[1]，焦慧敏[1]

1.  南阳理工学院智能制造学院 河南省南阳市 473000 2. 科络普胶带技术（昆山）有限公司 江苏省昆山市 215300

摘   要：面向工程应用，对空调压缩机驱动电机永磁同步电机（PMSM）的无位置传感器控制进行研究。Luenberger观测器能有效避免滑模观测器的抖振问题，动态响应快，估算精度高，实现简单。本文根据Luenberger观测器的基本理论，建立了永磁同步电机转子位置状态估计的数学模型，并在Matlab平台上搭建基于Luenberger观测器的无传感矢量控制仿真模型，验证该算法的正确性与可行性。

关键词: 永磁同步电机；Luenberger观测器；状态估计；无传感器控制；Simulink仿真

1引言

家用空调普遍采用永磁同步电机作为压缩机的驱动电机，具有结构简单、效率高、体积小等优点。使用无传感器控制策略时，需要准确估算永磁同步电机的位置。针对传统滑模观测器方法中采用不连续控制存在的抖振问题，本文引入了Luenberger观测器，采用线性控制策略代替滑模观测器中的不连续控制[1]，消除滑模观测器的抖振问题建立了永磁同步电机转子位置状态估计的数学模型，并在Matlab平台上搭建基于Luenberger观测器的无传感矢量控制仿真模型，进行了仿真和分析。

2永磁同步电机的Luenberger观测器设计

Luenberger状态观测器的主要思想是通过实际系统模型来构建模拟系统，通过构建模拟系统获得实际系统内部的状态观测值，使其输出在一定的算法下能够度量出实际系统的状态值。重建的模拟系统与实际物理系统并联运行，将模拟系统与实际系统的之间的误差反馈给模拟系统，模拟系统根据算法进行实时修正来逼近实际系统的数学模型[2]。当构建的模拟系统的输出能够收敛于真实的系统输出值时，则说明构建模拟系统的数学模型与真实系统的数学模型吻合，从而模拟系统的状态量逼近真实系统的状态量。

通常情况下，Luenberger状态观测器中，实际系统的状态矢量的初始值是未知的，状态矢量的初始值只能采用预估值，中间状态矢量的差值导致输出矢量的差值，通过加入反馈控制环节，进行反馈修正，将输出矢量的差值反馈至输入端，控制输出误差矢量尽快衰减至0，从而使中间状态误差矢量也尽快衰减至0。在闭环状态观测器中，实际系统的输出变量可以通过反馈校正观测器系统的输出。

3基于Luenberger观测器的PMSM无传感器控制建模与仿真

根据系统可观性定义，永磁同步电机的Luenberger 观测器方程可写为

    (1)          

式中、分别为Luenberger观测器的估计电流， 、分别为观测器的估计反电势，、分别为观测器系数。利用Luenberger观测器得到反电势的估计值、分别后，再求反正切，就可以估算出电机转子角度，进而再求微分就可估算出转速值。        

本文设计的基于Luenberger观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制系统结构如图1所示。

 图1  基于Luenberger观测器的PMSM无传感器控制结构框图

在仿真中，永磁同步电机的极对数为2对极，定子相电阻为0.33Ω，d轴电感为5mH，q轴电感为5mH，永磁体磁链为0.52Wb，转子的转动惯量为0.008Kg·m2，设定转速参考值为3000rpm。基于Luenberger观测器的无传感器控制的PMSM转子的实际转速与估计转速的仿真波形如图2所示，图中的绿色实线是PMSM转子的实际转速曲线，紫色虚线是转子的估计转速曲线，从图中可以看出，采用基于Luenberger观测器的无传感器控制策略，在转速阶跃响应下，电机转子转速的估计值逐步跟踪逼近机转子转速的实际值，随着转速的升高，速度估计误差逐渐缩小，稳态时的电机转子转速的估计值曲线和实际值曲线基本保持一致，速度估计误差优于0.3%。

图2  电机转子实际转速与估计转速的仿真波形

4结论

本文分析了Luenberger观测器的基本理论，设计了

永磁同步电机的Luenberger观测器，进行了基于Luenberger观测器的PMSM无传感器控制建模与仿真研究，Matlab平台上搭建基于Luenberger观测器的无传感矢量控制仿真模型，验证了该算法的正确性与可行性。

参考文献：

[1] 周涛, 蒋全. 无传感器永磁同步电机全速范围控制技术

综述[J]. 电子科技. 2021,34(04):59-69.

[2]  Andreas Andersson, Torbjörn Thiringer. Motion Sensorless

IPMSM Control Using Linear Moving Horizon Estimation With

Luenberger Observer State Feedback[J]. IEEE Transactions on

Transportation Electrification, 2018, 4(2):464-473.

项目来源：

1、河南省高等学校重点科研项目“空调压缩机振动噪声的主动补偿控制策略研究 ”（21A413005）；

2、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目“新型高灵敏度智能压电微生物传感器构建的关键技术研究”（222102210105）；

作者简介：徐淼（1998.4-），男，河南周口人，学生，

E-mail: 2335797923@qq.com

（联系电话：韩军良，15517712960）