Robust sliding mode control and flux observer for induction motor using singular perturbation

This paper proposes a sequential methodology for designing a robust adaptive sliding mode observer for an induction motor drive using a two-time-scale approach. This approach is based on the singular perturbation theory. The two-time-scale decomposition of the original system of the observer error dynamics into separate slow and fast subsystems permits a simple design and sequential determination of the observer gains. In the proposed method, the stator currents and rotor flux are observed on the stationary reference frame using the sliding mode concept. The control algorithm is based on the indirect field oriented sliding mode control with an on-line adaptation of the rotor resistance to keep the machine field oriented. The control–observer scheme seeks to provide an asymptotic tracking of speed and rotor flux in spite of the presence of an uncertain load torque and an unknown value of rotor resistance. The validity for practical implementation has been verified through computer simulations.     

Implementation of a closed loop sliding mode observer for speed sensorless control of an indirect field oriented induction motor drives

A new sliding mode flux and speed observer is proposed for indirect field oriented induction motor drive system. The error between the actual and observed currents converges to zero, which guarantees the accuracy of the flux observer. The rotor speed and the rotor time constant are estimated based on the estimated stator currents and rotor flux. The estimated rotor time constant is used in slip calculation and observer structures. The estimated speed is used as feedback to the speed regulation. Simulation and experimental results of the speed control verify the validity of the proposed speed estimation algorithm.     

一种用于异步电机无速度传感器控制的自适应滑模观测器

针对异步电机无速度传感器中存在的对参数变化鲁棒性差的问题,研究了一种基于自适应滑模观测器的异步电机无速度传感器的矢量控制方案。自适应滑模观测器根据电机静止坐标系下的数学模型构造了转子磁链观测器,定子电流观测值与实际值的误差构成观测器的滑模面,在滑模运动下该观测器的观测值最终趋近于实际值,从而实现转子磁链的估计。电机转速由自适应方法估算得到,滑模观测器的稳定性可由李雅普诺夫稳定性证明。与其他方案相比,该方法的优点在于实现简单,对参数变化具有鲁棒性。仿真和实验对控制方案的正确性和可行性给出了验证,该观测器可以实现对转子磁链和转速的观测,且在负载扰动和给定转速变化的情况下该滑模观测器具有鲁棒性。     

A robust sliding mode flux and speed observer for speed sensorless control of an indirect field oriented induction motor drives

In this paper a new sliding mode flux and speed observer is proposed for indirect field oriented induction motor drive system. The error between the actual and observed currents converges to zero, which guarantees the accuracy of the flux observer. The rotor speed and the rotor time constant are estimated based on the estimated stator currents and rotor flux. The estimated rotor time constant is used in slip calculation and observer structures and the estimated speed is used as feedback to the speed regulation. Computer simulation and experimental results of the speed control verify the validity of the proposed speed estimation algorithm. The experimental results show the robustness and performance of the proposed observer structure. Experimental results have been realized without load, with load and with external disturbances.     

一种异步电机无速度传感器间接磁场定向控制策略

针对无速度传感器异步电机,提出了一种新的滑模磁通和速度观测方法。实际电流和观测电流之间的误差收敛到零,保证磁通观测器的精确性。根据估计的定子电流和转子磁链来估计转子的转速和转子时间常数。估计的转子时间常数用于滑模计算和观测器结构中,估计的转速用来作为转速调节的反馈。仿真结果证明所提出的速度估算方法有效以及所提出的观测器结构具有鲁棒性。     

基于滑模观测器的PMSM变结构直接转矩控制

本文设计了一种新型控制系统,该控制系统由滑模观测器、基于Super-twisting算法的二阶滑模速度、磁链和转矩控制器组成。利用给定电流和实际电流间的误差来设计滑模观测器(SMO),通过反正切函数对转子位置进行估计。本文通过Matlab软件建立三相永磁同步电机矢量控制模型,将无传感器控制及二阶滑模控制模型引入进行仿真验证,电机的速度及转矩波形更加稳定,转子位置可以得到有效观测。结果表明此控制系统较传统控制系统得出的效果更加优越。     

基于ASMO的PMSM无传感器控制系统

针对永磁同步电机滑模控制策略中出现的抖振以及转子位置预估精度等问题,引入了基于静止坐标系的自适应滑模观测器代替传统的滑模观测器,用sigmoid函数代替传统sign函数,并且利用锁相环代替传统的反正切函数实现转速及转子位置估算。在理论研究和仿真验证的基础上,搭建了基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无传感器伺服驱动系统的实验平台,结果证明了基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无传感器伺服驱动系统的正确性和有效性。     

基于磁链与负载观测器的异步电机反步滑模控制

针对参数摄动及负载转矩未知且变化会影响异步电机速度控制的问题,设计了一种改进型指数趋近律的滑模转子磁链观测器,用于估算电机转子磁通值,同时将磁通观测值用于负载转矩的估计。引入磁链误差、转速误差,通过反步滑模控制算法,将转子磁通与负载转矩的观测值用于异步电机控制。在转子电阻摄动与负载转矩未知且变化的情况下,将该控制策略与自适应反步控制方法进行实验结果对比。实验结果表明,该控制策略的响应速度快且跟踪精度高,提高了异步电机速度控制系统的抗干扰性能。最后,提出一种转速软给定方法,实验表明该方法能有效抑制转速变化时刻定子电流与电磁转矩的急剧增加,进一步改善了电机系统的性能。     

基于自适应观测器的感应电机转速估计方法研究

介绍了一种能在线补偿定转子电阻的基于自适应观测器的感应电机转速估计方法.该转速估计方法只需检测定子电压电流作为输入,利用观测器观测出转子磁链和定子电流,并利用定子电流误差和转子磁链观测值辨识出转速、定子电阻和转子电阻,并反馈于观测器,确保电机转速估计对参数变化的鲁棒性.仿真及实验结果表明,此方法估计的速度能应用于无速度传感器矢量控制系统,并具有较好的辨识精度和鲁棒性.     

基于滑模控制的永磁同步电机控制系统仿真研究

在分析永磁同步电机的数学模型及其矢量控制原理的基础上,对永磁同步电机转子磁链定向的控制策略作了研究,针对转子磁链定向的矢量控制技术的关键问题转子磁链观测,设计了滑模转子磁链观测器,给出了基于滑模观测的控制系统,并用Matlab/Simulink进行了仿真,仿真分析结果表明该系统调速范围宽,具有良好的动态及静态性能。     

新型异步电动机滑模变结构速度观测器的研究

提出了一种新型异步电动机滑模变结构速度观测器,利用定子电流计算值与实际值的偏差来计算电动机的转速.该观测器由转子磁链观测、定子电流计算和滑模控制器3部分组成,其中转子磁链观测部分采用改进的电压模型,有效解决了传统电压模型固有的直流偏置误差和初始值积分误差问题,实现磁链的准确观测.最后,结合异步电动机无速度传感器的矢量控...     

基于SMC的异步电机全阶磁链观测器研究

针对异步电机无速度传感器控制系统,提出了一种基于滑模控制(SMC)的改进型异步电机全阶磁链观测器方法.该方法利用全阶磁链观测器来辨识转速和估计转子磁链,并设计出滑模转速控制器来代替传统PI转速控制器,不仅能减小低中高速时系统转速动态响应的超调量,还能缩短进入稳态值的时间,增强系统的鲁棒性.仿真结果表明该算法的有效性.     

一种用于感应电机控制的新型滑模速度观测器研究

提出一种新颖的用于感应电机控制的滑模速度观测器。与传统的滑模速度观测器相比,此观测器具有结构简单、新颖、易于实现的特点,且有效消除了在无速度传感器的电机控制系统中,运用滑模观测器所固有的高频速度抖动现象。该观测器利用电压和电流信号构成观测器估计电机转速、转子磁通值及转子磁通位置,其理论的正确性由李雅普诺夫理论证明。将其运用于采用磁场定向矢量控制方法的无速度传感器感应电机控制系统,实验证明在整个调速范围内都取得了良好的效果,系统具有良好的稳态精度及动态响应性能。     

无刷直流电机无位置传感器转子位置自检测复合方法

基于对定子铁心饱和法和滑动模态观测器法转子位置自检测原理和特性的讨论,提出了一种能在全速范围内(包含零速在内)实现转子位置准确检测和控制的复合方法.零速时采用定子铁心饱和法判断转子初始位置并起动,低高速时设计了一种新的准滑动模态观测器控制算法,它将反电动势估算值反馈到定子电流的观测计算中,相比传统的滑模观测器算法,它可以通过选择合适的反馈值提高转子位置角的估算精度和系统的稳定性,并且切换函数采用饱和函数代替开关函数,可以通过选择合理的边界层厚度有效地削弱抖振.以一台表面式无刷直流电机为对象进行实验,实验结果表明该转子位置自检测复合方法能够在全速范围内有效地估算转子位置信息,是实现无刷直流电机无位置传感器运行的一种实用方法.     

感应电机滑模观测器矢量控制系统研究

研究了一种基于滑模观测器的感应电机无速度传感器矢量控制技术。根据感应电机两相α-β静止坐标系下数学模型的特点,设计了一种电流型滑模观测器。利用李亚普诺夫稳定定理,分析和证明了此观测器的稳定性,并在此观测器的基础上,根据等效控制的概念,估算了电机转子磁链和转速。仿真结果表明,基于滑模观测器的感应电机无速度传感器矢量控制技术对于电机启动和突加负载转矩时均能呈现很好的调速性能。     

凸极永磁同步风力发电机无速度传感器控制

基于全阶滑模观测器的凸极永磁同步风力发电机无速度传感器控制可以通过提高滑模增益来提高系统的鲁棒性,但提高滑模增益会放大滑模噪声.为了解决这个矛盾,文中提出了有效反电动势的概念,并基于有效反电动势的概念设计了一种全阶状态滑模观测器,分析了该全阶状态滑模观测器的滑模抖振抑制特性和转子位置估计对转速估计误差的鲁棒性.与全阶滑模观测器相比,所建立的全阶状态滑模观测器在不放大滑模噪声的前提下,可进一步提高转子位置估计对转速估计误差的鲁棒性.实验结果表明,该方法可实现稳定的无速度传感器控制,具有良好的动稳态特性,转子位置估计对转速估计误差具有更强的鲁棒性.     

Adaptive sliding-mode observer for speed-sensorless control ofinduction motors

This paper presents an adaptive sliding-mode observer for the speed-sensorless field-oriented control of induction motors. The observer detects the rotor flux components in the two-phase stationary reference frame by the motor electrical equations. The motor speed is estimated by an additional relation obtained by a Lyapunov function. The analytical development of the sliding observer and the speed estimation algorithm is fully explained. Experimental results are presented, based on a TMS320F240 digital signal processor controller implementation. The system performance with different observer gains and the influence of the motor parameters deviations are shown and discussed     

基于定子磁链滑模观测器的异步电机空间矢量调制直接转矩控制

针对异步电机直接转矩控制,设计了一种基于滑模控制理论的定子磁链自适应滑模观测器,它以定子电流和磁链为状态变量,利用实际电流与观测电流的误差构成滑模面,并将状态开关信号,输入到电流、磁链状态方程,对电流、磁链观测进行校正,此外通过一个由李亚普洛夫函数附加关系式完成对转子角速度的辨识。为降低系统低速稳态运行时的转矩脉动且保证瞬态运行时转矩的快速响应,在传统直接转矩控制基础上,使用占空比技术,实时计算电压矢量减小转矩误差所需的脉宽,实现对转矩的无差控制,该方法在保证系统响应速度的同时减小了系统平均转矩脉动。实验结果表明,定子磁链滑模观测器观测精度较高,速度辨识过程响应较快、精度较高,新转矩控制方法充分利用了功率器件开关频率,在低速时获得了相对圆形磁链轨迹更小的转矩脉动。     

基于单维离散滑模的模型参考自适应转速辨识方法

针对感应电机无传感器直接转矩控制下的速度辨识问题,在模型参考自适应方法的基础上,提出并实现了一种单维离散滑模模型参考自适应速度观测方法。算法首先采用传统模型参考自适应算法获得辨识磁链,然后依据波波夫定理求得的误差函数作为滑模面函数,以离散时间滑模控制策略替代模型参考自适应中的比例积分环节完成对转速的估计。通过与传统模型参考自适应算法的仿真比较研究,说明该方法在直接转矩控制系统中的速度动态辨识能力得到提高。实验结果验证了本文提出的方法是有效的,具有实际应用价值。     

Modelling and simulation of a double‐star induction machine vector control using copper‐losses minimization and parameters estimation

This paper shows that it is possible to extend the principle of field‐oriented control (FOC) approach to a double‐star induction motor (DSIM). In the first stage, a robust variable structure current controller based on space phasor voltages PWM scheme is established. In this current controller design, only the stator currents and rotor speed sensors are used. In the second stage, the FOC method developed for DSIM is motivated by the minimization of the copper losses. The developed approach uses a loss model controller (LMC) and an adaptive rotor flux observer to compute the adequate rotor flux value minimizing the copper losses. The control variables are the stator currents or the machine input power. Compared to the constant rotor flux approach, it is proved that higher performances are achieved. However, the sensitivity of the FOC to parameter error of the machine still remains a problem. To guarantee the performance of the vector control, the stator and rotor resistances are adapted on‐line, based on the Lyapunov theory. An appropriate choice of the reference model allows building a Lyapunov function by means of which the updating law can be found. The simulation results show the satisfactory behaviour of the proposed identification algorithm. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.