前言

本章節(jié)采用滑膜觀測器SMO進(jìn)行永磁同步電機(jī)的無感控制，首先介紹了狀態(tài)觀測器的原理，然后分析了滑膜觀測器的原理設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)低階滑膜觀測器，并針對傳統(tǒng)滑膜觀測器存在“抖振”的問題，對建立的傳統(tǒng)滑膜觀測器進(jìn)行改進(jìn)，采用電控屆經(jīng)典資料AN1078的滑膜觀測器改進(jìn)方案進(jìn)行控制，最后通過Matlab/ Simulink采用傳統(tǒng)的三段式啟動(dòng)方法對該方案進(jìn)行仿真分析。

一、狀態(tài)觀測器

PMSM有感控制是通過編碼器或者霍爾傳感器獲得電機(jī)的位置角與速度，PMSM無感控制是通過觀測器來估算電機(jī)的位置角與速度。 狀態(tài)觀測器，即根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出來估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)，如下圖所示：

建立用于描述真實(shí)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，理論上如果建立的數(shù)學(xué)模型足夠精確，當(dāng)真實(shí)電機(jī)與電機(jī)數(shù)學(xué)模型具有相同的輸入時(shí)，其必有相同的輸出。 此時(shí)我們就可以通過建立的電機(jī)數(shù)學(xué)模型來獲得我們所需要的電機(jī)狀態(tài)量。 但上述系統(tǒng)會(huì)存在如下問題：

1、系統(tǒng)抗干擾能力差。 電機(jī)是一個(gè)高階非線性、強(qiáng)耦合、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，一旦存在外部干擾或負(fù)載突變，此時(shí)的觀測器很難響應(yīng)正確的輸入，以致輸出錯(cuò)誤或者系統(tǒng)崩潰；

2、誤差的存在導(dǎo)致觀測器的輸出不準(zhǔn)確。 誤差的來源有系統(tǒng)誤差和測量誤差。 系統(tǒng)誤差是建模不準(zhǔn)確所帶來的誤差，我們所建立的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際的電機(jī)不可能完全相同，會(huì)存在建模誤差； 觀測器的輸入與真實(shí)輸入的誤差，觀測器的輸入是通過測量得來，會(huì)存在測量誤差。

為了解決上述問題，我們對狀態(tài)觀測器增加反饋，通過反饋來不斷的修正狀態(tài)觀測器的輸出，使?fàn)顟B(tài)觀測器盡可能的接近真實(shí)電機(jī)，如下圖所示：

反饋方式與修正方式的不同產(chǎn)生了不同種類的狀態(tài)觀測器。

二、滑膜狀態(tài)觀測器

2.1.滑膜觀測器的原理

從上述分析，我們對狀態(tài)觀測器增加反饋，通過反饋來不斷的修正觀測器的輸出，使觀測器盡可能的接近真實(shí)電機(jī)，反饋方式與修正方式的不同產(chǎn)生了不同種類的觀測器。

滑膜觀測器的修正方式：滑膜觀測器的修正方式是為建立的數(shù)學(xué)模型引入了一個(gè)修正值z，通過反饋來不斷的計(jì)算修正值z，使電機(jī)數(shù)學(xué)模型無限的接近真實(shí)電機(jī)，就算外部突發(fā)干擾也能通過修正值z快速的修正狀態(tài)。如果真實(shí)系統(tǒng)是一條曲線，SMO觀測器就是圍繞這條曲線來回滑動(dòng)的線條，滑膜的名字即源于這種特性。

滑膜觀測器的反饋方式：滑膜觀測器的反饋方式即修正值z的計(jì)算方式，滑膜觀測器的輸出減去真實(shí)電機(jī)的輸出，如果誤差大于0，給數(shù)學(xué)模型加上修正值z；如果誤差小于0，給數(shù)學(xué)模型減去修正值z，也即滑膜控制規(guī)律是基于符號函數(shù) sign(x)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

滑膜觀測器的整體框圖如下圖所示：

2.2.傳統(tǒng)的滑膜觀測器

三、Matlab/Simulink仿真分析

上圖為PMSM基于滑膜觀測器的無感控制整體框圖，為了后續(xù)模型生成代碼進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，本示例將控制算法部分單獨(dú)建模，通過調(diào)用控制算法模型進(jìn)行PMSM的控制。

3.1.仿真電路分析

為了后續(xù)模型生成代碼加載到底層進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)，本示例建立了三個(gè)不同時(shí)間的調(diào)度任務(wù)。

10ms任務(wù)：用于電機(jī)控制模式的切換，本示例采用經(jīng)典的三段式啟動(dòng)方式，即轉(zhuǎn)子預(yù)定位、IF開環(huán)啟動(dòng)、開環(huán)切閉環(huán)進(jìn)行無感控制。

速度環(huán)控制：相較于電流環(huán)速度環(huán)對實(shí)時(shí)性要求不高，帶寬一般為電流環(huán)帶寬的1/20，本示例將速度環(huán)設(shè)置為2ms任務(wù)。

電流環(huán)控制：電流環(huán)對實(shí)時(shí)性要求高，帶寬高時(shí)間設(shè)置為FOC的執(zhí)行時(shí)間20KHz。

3.1.1 電機(jī)控制模式切換10ms任務(wù)

設(shè)置轉(zhuǎn)子預(yù)定位持續(xù)時(shí)間500ms；500ms后切換為IF開環(huán)控制；如果IF開環(huán)啟動(dòng)時(shí)間大于1s且此時(shí)的速度大于900RPM，則切換到無感閉環(huán)控制。

3.1.2 速度環(huán)控制2ms任務(wù)

只有在無感閉環(huán)控制模式才用到速度環(huán)。

3.1.3 電流環(huán)控制50us任務(wù)

控制模式切換：

滑膜觀測器：

FOC電流閉環(huán)：

3.1.4 電機(jī)主電路

3.2.仿真結(jié)果分析

傳統(tǒng)滑膜觀測器反電動(dòng)勢觀測值：

改進(jìn)的滑膜觀測器反電動(dòng)勢觀測值：

電機(jī)轉(zhuǎn)速：

0~0.5s執(zhí)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位：

0.5s~2.76s為IF開環(huán)啟動(dòng)：

2.76s~20s為無感閉環(huán)控制：

電機(jī)定子電流：

電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置：

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電流Id、Iq：

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓：

電磁轉(zhuǎn)矩：

總結(jié)

本章節(jié)采用滑膜觀測器SMO進(jìn)行了永磁同步電機(jī)的無感控制，首先介紹了狀態(tài)觀測器的原理，然后分析了滑膜觀測器的原理設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)低階滑膜觀測器，并針對傳統(tǒng)滑膜觀測器存在“抖振”的問題，對建立的傳統(tǒng)滑膜觀測器進(jìn)行改進(jìn)，采用電控屆經(jīng)典資料AN1078的滑膜觀測器改進(jìn)方案進(jìn)行控制，最后通過Matlab/ Simulink采用傳統(tǒng)的三段式啟動(dòng)方法對該方案進(jìn)行仿真分析。