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永磁同步电机无传感器控制系统研究

摘要

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高和运行可靠等诸多优点，已经在航空航天、

船舶电力推进和机器人等领域得到广泛应用。然而随着应用场合不断地拓宽，在一些特

殊领域，安装机械式传感器可能会降低系统的可靠性。因此，无传感器控制技术成为电

力传动领域的研究热点。本文以表贴式永磁同步电机为研究对象，针对滑模变结构理论

在无传感器控制系统中的应用展开研究。

首先，阐述永磁同步电机的结构和分类，结合坐标变换理论建立永磁同步电机的数

学模型。对矢量控制策略和空间矢量脉宽调制技术进行详细分析，并选定id=0的控制策

略。在此基础上，搭建永磁同步电机常规矢量控制系统的仿真模型，研究添加电压前馈

补偿环节的矢量控制策略，并通过仿真实验和结果进行分析验证。

其次，阐述滑模变结构理论的原理和实现的基本条件，在PMSM矢量控制系统的

基础上，基于滑模变结构理论设计传统滑模观测器，并通过低通滤波器获得反电动势估

计值，再根据反正切函数法提取转子位置和速度信息的估计值。对基于传统滑模观测器

的系统存在抖振的原因进行分析，明确切换函数无法实现理想开关特性会导致系统抖振

问题，使用低通滤波器又会造成反电动势估计值的相位延迟和幅值衰减等问题。为此，

引入高阶滑模算法，基于Lyapunov稳定性判据建立超螺旋滑模观测器，并设计卡尔曼

滤波器替代传统低通滤波器，再根据反正切函数法提取转子位置和速度信息的估计值。

在此基础上，搭建基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统仿真模型，

并通过仿真实验和结果分析对所提控制策略进行有效性验证。

再次，针对超螺旋滑模观测器的滑模增益整定困难，以及固定的滑模增益会导致转

子位置和速度跟踪精度出现偏差等问题，设计基于模糊控制的自适应超螺旋滑模观测器。

通过模糊控制器实现滑模增益的在线整定，拓宽观测器的有效观测范围。同时，搭建基

于模糊自适应超螺旋滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统仿真模型，并通过仿

真实验和结果分析对所提控制策略进行有效性验证。

最后，建立永磁同步电机无传感器控制系统的实验平台，对控制系统的硬件电路和

软件程序分别进行设计。实验结果表明了本文所提控制策略的准确性和有效性。

关键词：永磁同步电机；超螺旋滑模观测器；卡尔曼滤波器；模糊控制器

永磁同步电机无传感器控制系统研究

ABSTRACT

Permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)hasmanyadvantagessuchassimple

structure,highpowerdensityandreliableoperation,andhasbeenwidelyusedinaerospace,

marineelectricpropulsionandrobotfields.However,astheapplicationfieldcontinuesto

expand,theinstallationofmechanicalsensorsmayreducethereliabilityofthesysteminsome

specialareas.Therefore,sensorlesscontroltechnologyhasbecomearesearchhotspotinthe

fieldofelectricdrive.Inthispaper,theapplicationofslidingmodevariablestructuretheoryin

thesurface-mountedPMSMsensorlesscontrolsystemisstudied.

Firstly,thestructureandclassificationofPMSMaredescribed,andthemathematical

modelofPMSMi