固纬电子电力电子教学小课堂 | 第四十讲: 电气、自动化和新能源等专业课程与固纬PTS+PEK系统融合的(实训)实验案例
发布日期：2026-08-18 点击次数： 93 作者：固纬电子
案例一：
《电机与拖动基础》——PMSM 无位置传感器矢量控制实验
0---基于滑模观测器算法完成电机速度控制
针对传统电机控制实验依赖位置传感器、难以体现工业主流技术的问题，借助 PEK-190 模组的 DSP 控制单元与滑模观测器算法，实现无位置传感器的 PMSM 矢量控制，贴合工业伺服系统的实际应用场景。
PTS3000(5000)实验平台 + PEK-190(PMSM 驱动模组)+ PEK-005A 辅助电源 + PEK-006 JTAG 下载器
PEK-190 电机控制模组
详细实施流程
(一) 建立PMSM在不同坐标系下的数学模型，为滑模观测器设计奠定理论基础
由于篇幅所限，此处不再呈现。
滑模观测器观测电机速度原理
滑模观测器观测电机速度是在αβ坐标系数学模型下完成的。关于滑模观测器观测电机速度原理可参考相关文献。
对于获得的静止坐标系下的速度电压e 或v ，利用锁相环完成电机速度和位置观测。实现框图如图1所示。
图1 速度（位置）观测器设计框图
注意在上图中，用低通滤波器（Low–pass Filter ）来消除v中高频开关信号，锁相环实现框图如图2所示。
图2 锁相环实现款图
（1）在 PSIM 软件中搭建传统滑模观测器仿真模型，对检测的输入三相电流信号，通过坐标变换获得id和iq以及电流控制环获得ud、uq ,和坐标变换或uα、uβ，利用滑模观测器获αβ得静止坐标系反电动势电压，利用该电压通过锁相环（PLL）估算转子位置角 θe 与角速度 ωe。
（2）仿真验证：设定目标转速 2000rpm，观测估算位置与实际位置的误差≤5°，转速波动≤±10rpm。
数字控制器开发
本永磁同步电机速度控制所涉及的控制器分为外环速度控制器和内环电流控制器，在本设计中这两类控制器均采用PI控制器。
1. 采用 id=0 矢量控制策略，设计速度环（PI 参数：kp=0.8，ki=10）与电流环（PI 参数：kp=0.3，ki=50）。
2. 在上述模拟控制器仿真的成功后，可将模拟控制器转化为离散控制器。
3. 通过 PSIM 的 SimCoder 工具，将控制算法自动生成 TI C2000 系列 DSP 的 C 代码，包含 Clark 变换、Park 变换、滑模观测器核心函数。
PSIM仿真
仿真模型搭建
基于PEK190模组搭建“滑模观测器+PI控制器”的PMSM无传感器速度控制系统，模型主要包括以下模块：
(1) PMSM模组：采用平台内置隐极式PMSM模型，参数如下：额定功率PN=400W，额定转速nN=3000r/min，定子电阻Rs=1.55Ω，dq轴电感Ld=Lq=6.71mH，永磁体磁链ψf=47mWb，极对数p=10，转动惯量J=27.7ukg·m²，轴时间常数0.53。
(2)坐标变换模块：实现Clark变换、Park正变换与逆变换，完成不同坐标系下变量的转换。
(3)滑模观测器模块：根据滑模原理，搭建观测器模型，包含电流误差计算、符号切换函数、反电动势观测、低通滤波器及锁相环模块。
(4)PI控制器模块：包含速度环PI控制器和电流环PI控制器，通过参数整定确定：速度环Kp=0.8、Ki=5；电流环Kp=1.2、Ki=20。
(5)逆变器模块：采用SVPWM调制方式，开关频率20kHz，将电流环输出的电压给定值转换为三相PWM信号，驱动PMSM运行。
(6)负载与扰动模块：模拟不同负载工况，设置阶跃负载和随机扰动信号。
由于篇幅所限，本处仅展现PSIM中所建立的滑模观测器与速度（位置）锁相环仿真电路图，滑模观测器与速度（位置）锁相环仿真电路图如图3所示。
图3 滑模观测器与速度（位置）锁相环仿真电路图
仿真结果
在给定转速n=1000RPM和永磁同步电机满载（R=10Ω）的条件下， 仿真结果如图4所示。
图4 给定速度1000rpm 仿真图
由仿真图可知，采用SMO以及PLL估测PMSM转速，实际转速可以较好的跟踪给定转速，即使在0.6s突加负载，实际转速（红色）也可以在20ms 之后快速调节并追踪给定信号。总之基于滑模观测器的PMSM速度控制系统具有以下性能：
（1）转速估计准确，稳态误差小，满足高精度速度控制需求；
（2）动态响应快，对转速给定值的跟踪能力强；
（3）对负载扰动具有良好的抑制能力，鲁棒性突出；
（4）系统运行稳定，电流波形正弦度好，无明显抖振现象。
PEK190及永磁同步电机模组实验
实验平台搭建
在PTS3000（PTS5000）平台上按照图5将PEK190进行接线，打开相关电源，利用PC计算机和下载器下载该实验的控制程序， 还有利用PC计算机与USB-RS232连接线让PSIM上的DSP示波器可以监控DSP的内部中间参量。
图5 实验接线图
按照以上接线和相应的设置后就可以实验，实验室现场实验装置图如图6所示。
图6 PEK190及永磁同步电机模组实验系统图
实验结果
转速给定n*=1000RPM，永磁同步发电机满载，示波器采集的电流波形和DSP示波器采集相关数据波形如图7所示。
图 7 示波器采集逆变器三相电流波形
在本实验中，电机的给定转速是1000RPM，示波器测量电机电流的频率为83.2Hz。本实验中所使用的三相永磁同步电机时10极对，因此由电机转速可计算三相电流的频率为，1000*5/60=83.3
这个数据与示波器测得电流频率基本一致。
DSP示波器采集相关数据波形如图8所示。
（a）Eaf 和Ebf 波形
（b）Vaf和Vbf 波形
（c）Eaf与Vaf对照波形
（d）Thete (实测)与thetaE(估测) 对照
（e）PSM_N (实测)与PSM_Ne （估测）对照
（f）三相SVPWM控制电压波形
图8 DSP示波器 测试数据波形图
从图（c ）可以发现 ，
说明电机绕组电感电压和电阻电压很小。从（d）和（e）图可以发现，利用滑模观测器可以较准确估测实际值。
数据记录与分析具体实验时可根据实际情况完成以下任务
（1） 记录不同转速（1000/2000rpm）下的估算位置误差、转速波动值；
（2） 对比有 / 无位置传感器控制的动态响应特性，分析滑模观测器的鲁棒性。
结论
本文针对永磁同步电机传统速度控制依赖机械传感器的缺陷，设计了一种基于滑模观测器的无传感器速度控制系统，通过PEK190仿真与硬件实验验证了方案的性能，主要结论如下：
（1）基于PMSM数学模型推导的滑模观测器，通过符号切换函数能够准确观测电机反电动势，进而实现转速的无传感器估计，结构简单、稳定性强。
（2）PEK190仿真结果表明，该系统动态响应快、稳态误差小对负载扰动具有良好的抑制能力，鲁棒性突出。
（3）该方案无需机械传感器，降低了系统成本和安装维护难度，提升了恶劣工况下的可靠性，为PMSM无传感器速度控制提供了一种实用的解决方案。
教学价值
(一) 掌握坐标变换、滑模观测器等核心算法的原理价值，理解无位置传感器控制的工业应用优势；
(二) 熟悉 “仿真建模→代码生成→硬件验证” 的闭环开发流程，匹配自动化专业 “软硬结合” 的培养目标。
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