2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.25515/pmi.2018.1.92 pmi-11919 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/11919 Электромеханика и машиностроение Electromechanics and mechanical engineering Development of sensorless vector control system for permanent magnet synchronous motor in Matlab Simulink Разработка системы бездатчикового векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами в Matlab Simulink Frolov V. Ya. Фролов В. Я. Frolov V. Ya. frolov.eed@gmail.com Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия) Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Saint-Petersburg, Russia) Zhiligotov R. I. Жилиготов Р. И. Zhiligotov R. I. zhiligotov@gmail.com Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия) Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (Saint-Petersburg, Russia) 22 02 2018 2018 229 92 97 03 09 2017 04 11 2017 22 02 2018 © 2018 В. Я. Фролов, Р. И. Жилиготов © 2018 V. Ya. Frolov, R. I. Zhiligotov 2018 В. Я. Фролов, Р. И. Жилиготов V. Ya. Frolov, R. I. Zhiligotov Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/11919

В последние 20 лет растет доля электропривода с использованием синхронных двигателей с постоянными магнитами. Данный тип двигателей обладает лучшими техническими показателями по сравнению с асинхронными двигателями, однако имеет ряд сложностей в реализации, одной из них является необходимость получения информации о положении ротора. Это можно сделать с использованием датчиков или без них, посредством наблюдателя состояния двигателя. В статье рассмотрены проблемы бездатчикового управления синхронным двигателем с постоянными магнитами. Описана система векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами с использованием наблюдателя состояния. Показан синтез наблюдателя скорости и положения ротора, работающего на скользящих режимах. Алгоритм реализован посредством создания модели в среде Matlab Simulink с использованием блоков поддержки процессоров Texas Instruments. Проведено опытное сравнение результатов вычисления угла положения ротора наблюдателем и данных, полученных с использованием датчиков положения ротора. Целью работы является получение алгоритма управления, обладающего достаточной точностью вычисления угла положения ротора, широким диапазоном регулирования скорости и устойчивостью к дрейфу параметров двигателя.

In last 20 years segment of electric drives with permanent magnet synchronous motors has increased. This type of motors has better technical characteristics compared to induction motors, but has problems in actual implementation, one of which is the requirement of rotor position data. It is possible to implement with use of sensors or without them by means of motor state observer. The paper describes problems of sensorless vector control system for permanent magnet synchronous motors. The vector control system with state observer for permanent magnet synchronous motors is described. Synthesis of sliding mode observer for rotor speed and position is presented. The algorithm is implemented by development of model in Matlab Simulink environment with support by Texas Instruments processors support blocks. Experimental comparison of results of rotor angle state calculation and the data obtained by rotor position sensors was conducted. Research objective is a development of control algorithm, which has required precision for calculation of rotor start angle, high range of speed regulation and resistance to drift of motor parameters.

 Ключевые слова векторное управление наблюдатель состояния двигателя синхронная машина с постоянными магнитами бездатчиковое управление частотно-регулируемый электропривод Keywords vectorcontrol motorstateobserver permanent magnet synchronous motor sensorless control frequency controlled electric drive Буров В.Н. Силовая электроника: Полупроводниковые преобразователи для управления асинхронными двигателями и их энергетические показатели: Учеб. пособие / В.Н.Буров, В.Я.Фролов. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2014. 106 с. Жилиготов Р.И. Векторное управление бесколлекторным двигателем постоянного тока / Р.И.Жилиготов, В.Я.Фролов // Неделя науки СПбПУ: Материалы научной конференции с международным участием / Институт энергетики и транспортных систем. Ч. 2. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2016. С. 160-162. Фролов В.Я. Силовая электроника: Учеб. пособие / В.Я.Фролов, В.В.Смородинов, С.Г.Зверев. СПб: Изд-во Политехнического университета, 2011. 280 с. An extended electromotive force model for sensorless control of interior permanent magnet synchronous motors / Z.Chen, M.Tomita, S.Doki, S.Okuma // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2003. Vol. 50. N 20. P. 288-295. Drakunov S.V. Sliding-Mode Observers Based on Equivalent Control Method // Proceedings of the 31st Conference on Decision and Control. Tucson, Arizona. 1992. P. 2368-2369. Edwards C. A sliding-mode control observer based FDI scheme for the ship benchmark / C.Edwards, S.K.Spurgeon // European Journal of Control. 2000. Vol. 6. P. 341-356. Edwards C. On the development of discontinuous observers / C.Edwards, S.K.Spurgeon // International Journal of Control. 1994. Vol. 59. P. 1211-1229. Edwards C. Robust output tracking using a sliding-mode controller/observer scheme / C.Edwards, S.K.Spurgeon // International Journal of Control. 1996. Vol. 64. P. 967-983. Edwards C. Sliding Mode Control: Theory and Applications / C.Edwards, S.K.Spurgeon. Taylor & Francis, 1998. 237 p. Edwards C. Sliding-mode observers for fault detection / C.Edwards, S.K.Spurgeon, R.J. Patton // Automatica. 2000. Vol. 36. P. 541-553. Edwards C. Sliding-mode output tracking with application to a multivariable high temperature furnace problem / C.Edwards, S.K.Spurgeon // International Journal of Robust and Nonlinear Control. 1997. Vol. 7. P. 337-351. Estimation of rotor position and speed of permanent magnet synchronous motors with guaranteed stability / R.Ortega, L.Praly, A.Astolfi, T.Lee, K.Nam // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2010. N 99. P. 1-13. Janiszewski D. Extended Kalman Filter Estimation of Mechanical State Variables of a Drive with Permanent Magnet Synchronous Motor // Studies in Automation and Information Technology. 2004. Vol. 28/29. P. 79-90. Pacas M. Sensorless drives in industrial applications // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2011. Vol. 5. N 2. P. 16-23. Pillay P. Modeling of permanent magnet motor drives / P.Pillay, R.Krishnan // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1988. Vol. 35. P. 537-541. Sensorless control strategy for salient-pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame / S.Morimoto, K.Kawamoto, M.Sanada, Y.Takeda // Proc. 2001 IEEE IAS Annual Meeting. 2011. Vol. 4. P. 2637-2644. Trzynadlowski A.M. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate / A.M.Trzynadlowski, R.L.Kirlin, S.F.Legowski // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1997. Vol. 44. N 2. P. 173-181. Utkin V.I. Sliding Mode Control Design Principles and Applications to Electric Drives // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 1993. Vol. 40. P. 23-36. Utkin V.I. Sliding Mode Control in Electromechanical Systems / V.I.Utkin, J.Guldner, J.Shi. Taylor & Francis. 1999. 325 p. Utkin V.I. Sliding Modes in Control Optimization. Berlin: Springer-Verlag, 1992. 286 p. DOI: 10.1007/978-3-642-84379-2 Utkin V.I. Variable structure systems with sliding-modes // IEEE Transactions on Automatic Control. 1977. Vol. 2. P. 212-222. Yan Z. Sliding mode observers for electric machines-an overview / Z.Yan, V.Utkin // Conf. Rec. IEEE-IES 28th Annual Meeting IECON 2002. Vol. 3 (2002). P. 1842-1847.