电机控制核心技术-永磁同步电机无速度传感器矢量控制PMSM_FOC_sensorless
导读：公众 号接下来的几期文章重点介绍、归纳总结永磁同步机无速度传感器控制策略PMSM_FOC_sensorless，主要介绍三段式切换和全速域单一观测器法，从原理到实现验证进行“逐帧分析”。本期介绍滑模观测器SMO法（静止坐标系下实现）。
理论验证：模块化、真实系统；
1、基于任意坐标系的SMO；
2、基于转子磁链改进的SMO；
3、基于模型参考自适应改进的SMO；
开发验证：M语言实现，标幺化系统；
硬件测试：C代码实现；
读者可以关注以下两个公 众号：个人认知具有局限性，欢迎指正！
1、Motor Control 驱控笔记
2、浅谈电机控制
@本期文章推荐参考的参考书如下：
&文章内容安排：
一、引言
（1）为什么要进行无感控制？
（2）无感控制的难点在哪？
二、滑模观测器SMO实现和分析
（1）原理分析以及观测器对应的数学模型实现；
（2）几种滑模观测器SMO的性能分析；
三、仿真验证和分析
（1）不同滑模面函数对应的性能分析；
四、C代码实现过程的处理
（1）；
五、总结
（1）滑膜观测器SMO对应的参数调试总结；
（2）锁相环PLL参数整定；
一、引言
图1 常见的三段式切换的永磁同步电机无速度传感器控制策略
1.1 为什么要进行无感控制？
核心的原因是为了去掉位置、速度传感器，用电气信号+算法估算转子位置与速度，进行无感控制基于以下几点考虑：
1、降本与减复杂度：省去编码器及其安装、线缆、接口，硬件成本与装配时间明显减短，体积更小，适配狭小空间；
2、提升可靠性：减小传感器这一机械故障点，规避其对振动、冲击等的敏感性；
3、增强适配性：满足真空、水下等无法安装传感器的场景，如无人机、伺服阀等；
4、优化电气与电磁兼容性：少了传感器线缆与信号，降低电磁干扰的风险，布线简洁。
1.2 无感控制的难点在哪？
1、无感控制通过电流、电压和观测器或高频注入法估计位置、转速，中高速易实现，低速/零速带载是技术难点；
2、无感控制需要强的处理器算力与精准的电机参数，调试更复杂；
……
二、滑模观测器SMO实现和分析
2.1 原理分析以及观测器对应的数学模型实现
图2.1 传统滑模观测器的控制框图
目前，引入有效磁链的概念，通用的永磁同步电机的传统SMO算法的设计大多数是基于静止坐标系下的数学模型，重写电压方程为：
通过式（4）可以看出PMSM反电势与电机转速和位置之间的关系，因此可以从反电动势中提取出反电势的幅值和相位信息，从而利用幅值信息来计算出电机的转速，利用相位信息来计算出电机的位置。
其实，滑模观测器SMO实现就以下几点：
a、电流估算模型计算出电流；
b、与实际采样电流做差给到滑模面函数，计算出反电势；
c、反电势作为锁相环PLL的输入，得到位置角和速度的估算值；
2.2 几种滑模观测器SMO类型分析
## 传统SMO观测器存在的问题：
在采用传统滑模观测器求取电机角度时通常存在系统抖振、低通滤波器导致角度相位滞后、角度的求取等问题。
常见的解决方案：
1、系统抖振：在对滑模面进行设计时通常采用的是不连续的开关符号作为趋近律。由于开关符号函数的方式单一，无论系统轨迹离滑模面多远都采取同种对待方式。在开关函数的作用下，系统在滑模面两侧小误差高频来回穿越，加之系统的惯性，这导致了估计的扩展反电动势存在高频抖振，从而导致求取的转子位置信息存在高频谐波，影响角度求取的精度；
2、低通滤波器所带来的问题：由于滑模本身的特性，系统中必然存在高频抖振。低通滤波器能够有效的滤除系统的高频抖振，但是低通滤波器会导致求取的扩展反电动势存在相位滞后，最终导致求取的转子位置信息存在相位滞后问题，严重时将导致电机失步。因此，需要对转子的位置信息进行角度补偿，虽然角度补偿能够在一定程度上解决角度滞后的问题，但是对于补偿角还没有一个很好的计算策略；
## 高阶滑模观测器：
高阶滑模观测器具有二阶低通滤波器的特性，能有效滤除反电势中的高频噪声，无需使用低通滤波器。在计算估计的电流时，传统方案仅将滤波前反电动势信号作为反馈，但是此时的信号中高频噪声较多。为了使观测值更加准确，进而将反电势的估计值反馈至电流的观测环节中，提高观测的精度。在趋近律的选择上可以采用具有连续性的，使系统在滑模面运动时更加平滑，减小高频抖振。在转子的位置计算时采用锁相环进行角度和速度的求取，此种方案在转子位置估计时对位置和转速的估计有较强的鲁棒性，不仅能省略相位补偿模块，而且提高估计精度。
图2.2 滑模面函数
三、仿真验证和分析
3.1不同滑模面函数对应的性能分析
## 滑模面函数a、sign（）；
## 滑模面函数b、饱和函数；
## 滑模面函数c、sigmoid（）；
从上面波形变化可以直观的看出，滑模面函数选取饱和函数时，估算的速度抖振程度最小。
四、总结
4.1 滑膜观测器SMO对应的参数调试总结
滑模观测器的调试参数只有一个滑模增益，真实系统可以参考下述的求取范围：
4.2 锁相环PLL参数整定
后续文章专门介绍锁相环PLL的参数整定。
