ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-3-415-423ntv-300Research ArticleАВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ И РОБОТОТЕХНИКАAUTOMATIC CONTROL AND ROBOTICSСинтез наблюдателя электродвижущей силы вращения синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов с переключаемой структурой и самонастраивающимися подсистемами фильтрации и оценки углового положенияThe sliding-mode observer for PMSM field-oriented sensorless control with adaptive filter and PLLhttps://orcid.org/0000-0001-5737-5354НосО. В.NosO. V.

Нос Олег Викторович — доктор технических наук, доцент, профессор

Новосибирск, 630073

Oleg V. Nos — D.Sc., Associate Professor, Professor

Novosibirsk, 630073

https://orcid.org/0000-0002-0192-9490ПудковаТ. В.PudkovaT. V.

Пудкова Тамара Валерьевна — кандидат технических наук, ассистент

Санкт-Петербург, 199106

Tamara V. Pudkova — PhD, Assistant

Saint Petersburg, 199106

https://orcid.org/0000-0002-3981-4082НосН. И.NosN. I.

Нос Наталья Ивановна — кандидат педагогических наук, старший преподаватель

Новосибирск, 630099

Natalya I. Nos — PhD (Education), Senior Lecturer

Novisibirsk, 630099

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский горный университетРоссияSaint Petersburg mining universityRussian FederationНовосибирский государственный университет экономики и управления «НИНХ»РоссияNovosibirsk State University of Economics and ManagementRussian Federation202417122024243415423Copyright © Нос О.В., Пудкова Т.В., Нос Н.И., 20242024Нос О.В., Пудкова Т.В., Нос Н.И.Nos O.V., Pudkova T.V., Nos N.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/300

Введение. В качестве основного источника механического движения часто применяются синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Они находят применение в составе высокоточных прецизионных систем слежения, автономных средствах передвижения, промышленных роботах, силовых тяговых установках морского применения, беспилотных летательных аппаратах. Это объясняется преимуществами данного класса электрических машин по сравнению с другими типами электромеханических преобразователей энергии, включая асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. С целью снижения стоимостных показателей электромеханических систем переменного тока желательно отказаться от установки на валу каких-либо датчиков. В этом случае формирование управляющих воздействий на объект осуществляется на основании измерения только электрических величин — трехфазных токов и напряжений. Метод. В работе предлагается решение задачи синтеза бездатчикового алгоритма векторного управления неявнополюсным синхронным двигателем с магнитоэлектрической системой возбуждения. Система построена на основе наблюдателя состояния полного порядка с преднамеренной организацией скользящего режима. В результате обеспечивается малая чувствительность выхода к негативному действию внешних сигнальных и внутренних параметрических возмущений. Для исключения влияния высокочастотных гармоник в оценках электродвижущей силы вращения статора на качество и точность вычисления углового положения вала предложено использовать полосовой фильтр с автоматическим слежением резонансной частоты за задающим воздействием на угловую скорость вала. С целью получения текущей информации о неизмеряемых механических координатах синхронной электрической машины применяется специальная динамическая подсистема восстановления текущей информации с самонастраивающейся структурой последовательного пропорционально-интегрального корректирующего устройства. Основные результаты. Эффективность и работоспособность метода подтверждена результатами моделирования в программном приложении MATLAB/Simulink. Моделирование выполнено в режиме пуска синхронной электрической машины с нулевых начальных условий под нагрузкой «вентиляторного» типа. Результаты моделирования показали, что синтезированный закон бездатчикового векторного управления обеспечивает высокое быстродействие в совокупности с малым отклонением оценки угла поворота ротора от текущего значения как в переходном, так и в установившемся процессах. Обсуждение. Предложенное решение в рамках бездатчикового векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами позволяет расширить диапазон регулирования механических координат электрической машины. Гарантируется малая чувствительность процессов оценки углового положения ротора к интервальному изменению параметров системы. Обеспечивается высококачественное подавление пульсаций вследствие разрывного характера процессов. Таким образом расширяются области практического применения частотно-регулируемого синхронного электропривода без установки датчика на валу.

More recently, permanent magnet synchronous motors (PMSM) have been widely applied to power source for different applications, such as high precision tracking systems, standalone electric and unmanned aerial vehicles, industrial robotics, marine propulsions, etc., due to their advantages to conventional competitors for example induction motor with squirrel-cage rotor. In order to reduce the cost of AC drive, the removal of the mechanical sensors is required. Hence, the sensorless motor control is more preferable and is based on electrical measurements, namely, three-phase currents and voltages. The paper is devoted to sensorless field-oriented control design procedure for a non-salient PMSM. The proposed control strategy is employed on full order sliding-mode observer which provides the output insensitivity to parameter changes and disturbances. In order to reduce the high-frequency chattering and enhance the rotor position estimation quality and accuracy, the band-pass filter with tracking of the central frequency to the speed reference is applied. To obtain actual information about the unmeasurable rotor position and speed, the phase-locked loop with cascade connection of adaptive proportional-integral controller is employed. A simulation of the dynamic starting mode of a PMSM under zero initial conditions has been performed by MATLAB/Simulink environment. As can be concluded from the simulation results, proposed sensorless field-oriented control strategy provides quick response as well as low rotor position estimation error both transient and steady-state behavior. The research significance of proposed PMSM sensorless field-oriented control strategy is to provide the wide range of motor speed operation, strong robustness of estimated rotor position to parameter perturbations as well as quality suppression of high frequency chattering effect owing to the switching attribute and the internal control discontinuity of sliding mode, whereby the practical application of a sensorless variable-frequency synchronous electric drive is expanding.

синхронный двигатель с постоянными магнитамибездатчиковое векторное управлениенаблюдатель ЭДС вращенияскользящий режимсамонастраивающийся полосовой фильтрpermanent magnet synchronous motorsensorless field-oriented controlobserver of back electromotive forcesliding modeadaptive band-pass filterReferencesXu W., Qu S., Zhao L., Zhang H. An improved adaptive sliding mode observer for middleand high-speed rotor tracking // IEEE Transactions on Power Electronics. 2021. V. 36. N 1. P. 1043–1053. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3000785Xu W., Qu S., Zhao L., Zhang H. An improved adaptive sliding mode observer for middleand high-speed rotor tracking. IEEE Transactions on Power Electronic, 2021, vol. 36, no. 1, pp. 1043– 1053. https://doi.org/10.1109/TPEL.2020.3000785Qiao Z., Shi T., Wang Y., Yan Y., Xia C., He X. New sliding-mode observer for position sensorless control of permanent-magnet synchronous motor // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2013. V. 60. N 2. P. 710–719. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2206359Qiao Z., Shi T., Wang Y., Yan Y., Xia C., He X. New sliding-mode observer for position sensorless control of permanent-magnet synchronous motor. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, vol. 60, no. 2, pp. 710–719. https://doi.org/10.1109/TIE.2012.2206359Nos O.V., Shtein D.A., Leus G.S., Nos N.I., Abramushkina E.E., Ignatev E.A. The simplified control technique for PMSM torque ripple reduction // Proc. of the 21st International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. (EDM). 2020. P. 475–481. https://doi.org/10.1109/EDM49804.2020.9153527Nos O.V., Shtein D.A., Leus G.S., Nos N.I., Abramushkina E.E., Ignatev E.A. The simplified control technique for PMSM torque ripple reduction. Proc. of the 21st International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. (EDM), 2020, pp. 475–481. https://doi.org/10.1109/EDM49804.2020.9153527Zhukovskiy Y.L., Korolev N.A., Malkova Y.M. Monitoring of grinding condition in drum mills based on resulting shaft torque // Journal of Mining Institute. 2022. V. 256. P. 686–700. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.91Zhukovskiy Y.L., Korolev N.A., Malkova Y.M. Monitoring of grinding condition in drum mills based on resulting shaft torque. Journal of Mining Institute, 2022, vol. 256, pp. 686–700. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.91Shklyarskiy Y.E., Shklyarskiy A.Y., Lutonin A.S. Sizing parameters of interior permanent magnet synchronous motor based on torquespeed characteristics // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 1753. N 1. P. 012026. https://doi.org/10.1088/17426596/1753/1/012026Shklyarskiy Y.E., Shklyarskiy A.Y., Lutonin A.S. Sizing parameters of interior permanent magnet synchronous motor based on torquespeed characteristics. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1753, no. 1, pp. 012026. https://doi.org/10.1088/17426596/1753/1/012026Chen F., Jiang X., Ding X., Lin C. FPGA-based sensorless PMSM speed control using adaptive sliding mode observer // Proc. of the 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON). 2017. P. 4150–4154. https://doi.org/10.1109/IECON.2017.8216711Chen F., Jiang X., Ding X., Lin C. FPGA-based sensorless PMSM speed control using adaptive sliding mode observer. Proc. of the 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 2017, pp. 4150–4154. https://doi.org/10.1109/ IECON.2017.8216711An Q., Zhang J., An Q., Liu X., Shamekov A., Bi K. Frequencyadaptive complex-coefficient filter-based enhanced sliding mode observer for sensorless control of permanent magnet synchronous motor drives // IEEE Transactions on Industry Applications. 2020. V. 56. N 1. P. 335–343. https://doi.org/10.1109/TIA.2019.2951760An Q., Zhang J., An Q., Liu X., Shamekov A., Bi K. Frequencyadaptive complex-coefficient filter-based enhanced sliding mode observer for sensorless control of permanent magnet synchronous motor drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 2020, vol. 56, no. 1, pp. 335–343. https://doi.org/10.1109/TIA.2019.2951760Wu S., Zhang J., Chai B. Adaptive super-twisting sliding mode observer based robust backstepping sensorless speed control for IPMSM // ISA Transactions. 2019. V. 92. P. 155–165. https://doi.org/10.1016/j.isatra.2019.02.007Wu S., Zhang J., Chai B. Adaptive super-twisting sliding mode observer based robust backstepping sensorless speed control for IPMSM. ISA Transactions, 2019, vol. 92, pp. 155–165. https://doi.org/10.1016/j.isatra.2019.02.007Kim H., Son J., Lee J. A high-speed sliding-mode observer for the sensorless speed control of a PMSM // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011. V. 58. N 9. P. 4069–4077. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2098357Kim H., Son J., Lee J. A high-speed sliding-mode observer for the sensorless speed control of a PMSM. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, vol. 58, no. 9, pp. 4069–4077. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2098357Sreejith R., Singh B. Sensorless predictive control of SPMSM-driven light EV drive using modified speed adaptive super twisting sliding mode observer with MAF-PLL // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics. 2021. V. 2. N 1. P. 42–52. https://doi.org/10.1109/JESTIE.2020.3014866Sreejith R., Singh B. Sensorless predictive control of SPMSM-driven light EV drive using modified speed adaptive super twisting sliding mode observer with MAF-PLL. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, 2021, vol. 2, no. 1, pp. 42– 52. https://doi.org/10.1109/JESTIE.2020.3014866Chi S., Zhang Z., Xu L. Sliding-mode sensorless control of directdrive PM synchronous motors for washing machine applications // IEEE Transactions on Industry Applications. 2009. V. 45. N 2. P. 582–590. https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2013545Chi S., Zhang Z., Xu L. Sliding-mode sensorless control of directdrive PM synchronous motors for washing machine applications. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, vol. 45, no. 2, pp. 582–590. https://doi.org/10.1109/TIA.2009.2013545Skamyin A., Shklyarskiy Y., Dobush V., Dobush I. Experimental determination of parameters of nonlinear electrical load // Energies. 2021. V. 14. N 22. P. 7762. https://doi.org/10.3390/en14227762Skamyin A., Shklyarskiy Y., Dobush V., Dobush I. Experimental determination of parameters of nonlinear electrical load. Energies, 2021, vol. 14, no. 22, pp. 7762. https://doi.org/10.3390/en14227762Wang G., Valla M., Solsona J. Position sensorless permanent magnet synchronous machine drives — A review // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2020. V. 67. N 7. P. 5830–5842. https://doi.org/10.1109/TIE.2019.2955409Wang G., Valla M., Solsona J. Position sensorless permanent magnet synchronous machine drives — A review. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, vol. 67, no. 7, pp. 5830–5842. https://doi.org/10.1109/TIE.2019.2955409Yuan Q., Yang Z., Lin F., Sun H. Sensorless control of permanent magnet synchronous motor with stator flux estimation // Journal of Computers. 2013. V. 8. N 1. P. 108–112. https://doi.org/10.4304/jcp.8.1.108-112Yuan Q., Yang Z., Lin F., Sun H. Sensorless control of permanent magnet synchronous motor with stator flux estimation. Journal of Computers, 2013, vol. 8, no. 1, pp. 108–112. https://doi.org/10.4304/jcp.8.1.108-112Nos O.V., Pudkova T.V., Kharitonov S.A. The sliding-mode observer for PMSM sensorless control with adaptive complex-coefficient filter and PLL // Proc. of the XX Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky (TSCZh). 2023. P. 44–49. https://doi.org/10.1109/TSCZh58792.2023.10233364Nos O.V., Pudkova T.V., Kharitonov S.A. The sliding-mode observer for PMSM sensorless control with adaptive complex-coefficient filter and PLL. Proc. of the XX Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky (TSCZh), 2023, pp. 44– 49. https://doi.org/10.1109/TSCZh58792.2023.10233364Wu J.X., Wei H.P., Zhang Y., Wei H. Sensorless vector control of permanent magnet synchronous motor based on model reference adaptive system // Proc. of the IEEE International Conference on Computer and Communications (ICCC). 2017. P. 2879–2883. https://doi.org/10.1109/CompComm.2017.8323058Wu J.X., Wei H.P., Zhang Y., Wei H. Sensorless vector control of permanent magnet synchronous motor based on model reference adaptive system. Proc. of the IEEE International Conference on Computer and Communications (ICCC), 2017, pp. 2879–2883. https://doi.org/10.1109/CompComm.2017.8323058Bolognani S., Tubiana L., Zigliotto M. Extended Kalman filter tuning in sensorless PMSM drives // IEEE Transactions on Industry Applications. 2003. V. 39. N 6. P. 1741–1747. https://doi.org/10.1109/TIA.2003.818991Bolognani S., Tubiana L., Zigliotto M. Extended Kalman filter tuning in sensorless PMSM drives. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, vol. 39, no. 6, pp. 1741–1747. https://doi.org/10.1109/TIA.2003.818991Utkin V., Guldner J., Shi J. Sliding mode control in electromechanical system. London: Taylor & Francis, 1999. 338 p.Utkin V., Guldner J., Shi J. Sliding mode control in electromechanical system. London, Taylor & Francis, 1999, 338 p.An Q., An Q., Liu X., Zhang J., Bi K. Improved sliding mode observer for position sensorless control of permanent magnet synchronous motor // Proc. of the IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). 2018. P. 1–7. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2018.8433265An Q., An Q., Liu X., Zhang J., Bi K. Improved sliding mode observer for position sensorless control of permanent magnet synchronous motor. Proc. of the IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), 2018, pp. 1–7. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2018.8433265Панкратов В.В., Нос О.В. Специальные разделы теории автоматического управления. Т. 1. Модальное управление и наблюдатели. Новосибирск, 2001. 47 с.Pankratov V.V., Nos O.V. Special sections of automatic control theory. V. 1. Modal control and observers. Novosibirsk, 2001, 47 p. (in Russian)Nos O.V. Synchronization algorithm for three-phase voltages of an inverter and a grid // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2017. V. 53. N 4. P. 364–370. https://doi.org/10.3103/S8756699017040082Nos O.V. Synchronization algorithm for three-phase voltages of an inverter and a grid. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2017, vol. 53, no. 4, pp. 364–370. https://doi.org/10.3103/S8756699017040082

The authors declare that there are no conflicts of interest present.