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💥第一部分——内容介绍

基于速度环自抗扰LADRC的非线性磁链观测器无传感器控制研究

摘要：本文聚焦于永磁同步电机（PMSM）的无传感器控制技术，提出一种融合速度环自抗扰（LADRC）与非线性磁链观测器的控制策略。该策略通过非线性磁链观测器生成转子位置估计值，无需速度信息，避免了速度估计误差带来的复杂性。采用IF开环控制启动，随后切换至非线性磁链观测器，并在速度环设计扩张状态观测器（ESO）以增强抗负载扰动能力。实验结果表明，该控制策略在有负载和无负载情况下均表现出良好的性能，为PMSM无传感器控制提供了新的有效方案。

关键词：永磁同步电机；无传感器控制；非线性磁链观测器；速度环自抗扰；IF开环控制

一、引言

永磁同步电机因其高效率、高功率密度和良好的动态性能，在工业自动化、电动汽车、航空航天等领域得到了广泛应用。在PMSM的控制中，转子位置的精确获取是实现高性能矢量控制的关键。传统的转子位置检测方法通常采用机械式传感器，如编码器或旋转变压器，但这些传感器增加了系统的成本、体积和复杂性，降低了系统的可靠性和抗干扰能力，且在某些恶劣环境下难以正常工作。因此，无传感器控制技术成为PMSM控制领域的研究热点。

目前，PMSM无传感器控制方法主要包括基于反电动势的方法、高频注入方法和基于观测器的方法等。基于反电动势的方法在中高速段具有较好的性能，但在低速时由于反电动势较小，信噪比低，难以准确估计转子位置；高频注入方法适用于零速和低速段，但算法复杂，且在高速时可能产生较大的噪声和误差；基于观测器的方法通过建立电机的数学模型，利用可测量的电压和电流信号来估计转子位置和速度，具有较好的动态性能和鲁棒性，受到广泛关注。

本文提出一种基于速度环自抗扰LADRC的非线性磁链观测器无传感器控制策略，旨在克服传统方法的不足，提高PMSM无传感器控制的性能和可靠性。

二、非线性磁链观测器原理

2.1 PMSM数学模型

在两相静止坐标系（α - β）下，表贴式永磁同步电机的电压方程为：

2.2 非线性磁链观测器设计

2.3 转子位置估计

与卢恩伯格型观测器不同，该非线性磁链观测器不需要速度信息，通过将估计向量“拉回”固定圆来间接估计角度，避免了速度估计误差对转子位置估计的影响，提高了估计的准确性和稳定性。

三、速度环自抗扰控制设计

3.1 自抗扰控制原理

自抗扰控制（ADRC）是一种不依赖于被控对象精确数学模型的新型控制方法，它通过扩张状态观测器（ESO）实时估计系统的总扰动，并进行补偿，从而实现对系统的有效控制。LADRC是ADRC的一种简化形式，它将系统的非线性部分进行线性化处理，降低了算法的复杂度，同时保持了ADRC的优良性能。

3.2 速度环LADRC设计

在PMSM的速度环控制中，将速度环系统看作一个一阶系统，设速度给定值为 vref​，实际速度为 v，则速度环的动态方程可以表示为：

四、系统整体控制策略

4.1 启动策略

在电机启动阶段，采用IF开环控制方法。IF开环控制是一种基于电流和频率的控制方法，通过给定固定的电流幅值和频率，使电机快速启动并达到一定的转速。在IF开环控制过程中，不需要对转子位置进行精确估计，从而避免了启动阶段由于转子位置估计不准确导致的启动失败问题。

当电机转速达到一定值后，切换至非线性磁链观测器进行转子位置估计，并采用速度环LADRC进行速度控制。

4.2 整体控制结构

系统的整体控制结构包括电流环、速度环和非线性磁链观测器三部分。电流环采用传统的PI控制，实现对定子电流的精确控制；速度环采用LADRC控制，提高系统的抗负载扰动能力；非线性磁链观测器用于估计转子位置，为电流环和速度环提供必要的反馈信息。

五、实验验证

5.1 实验平台搭建

搭建基于DSP（TMS320F28335）的PMSM实验平台，包括PMSM、逆变器、电流传感器、电压传感器、DSP开发板等。在实验平台上实现本文提出的基于速度环自抗扰LADRC的非线性磁链观测器无传感器控制策略。

5.2 实验结果分析

• 无负载实验：在无负载情况下，给定不同的速度指令，观察电机的启动过程和稳态运行性能。实验结果表明，电机能够快速启动并稳定运行在给定速度，速度波动较小，转子位置估计准确。
• 有负载实验：在电机稳态运行过程中，突然施加负载扰动，观察电机的动态响应性能。实验结果表明，速度环LADRC能够快速补偿负载扰动，使电机速度迅速恢复到给定值，具有较强的抗负载扰动能力。

六、结论

本文提出了一种基于速度环自抗扰LADRC的非线性磁链观测器无传感器控制策略，通过非线性磁链观测器生成转子位置估计值，无需速度信息，避免了速度估计误差带来的复杂性；采用IF开环控制启动，然后切换至非线性磁链观测器，并在速度环设计ESO以增强抗负载扰动能力。实验结果表明，该控制策略在有负载和无负载情况下均表现出良好的性能，为PMSM无传感器控制提供了一种新的有效方案。

📚第二部分——运行结果

🎉第三部分——参考文献 

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