基于滑模觀測器的高速磁浮無傳感器控制

熊飛

摘要??? 本文對滑膜觀測器模型的構建方式進行分析，并闡述了觀測器的計算方法，旨在對PMSM轉子滑膜觀測器的抖振進行有效抑制。最后，通過仿真分析的方式，對電機轉子的位置與轉速進行估計和驗證。

【關鍵詞】滑膜觀測器 告訴磁浮 傳感器

以往傳統的永磁同步電機需要安裝傳感器才可檢測到磁極的位置，這樣不但使電機的轉動慣量與體積增加，同時還提高了電機成本。目前，無傳感器控制技術逐漸成熟，與滑膜觀測器有機結合，具有良好的魯棒性，與其他方式相比來看，能夠使系統穩定性得到顯著提升，為工程的實現提供更大助力。

1 滑膜觀測器模型構建

滑膜觀測器屬于一種新型無傳感器控制方式，在電機結構基礎上，建立PMSM數學模式，從中獲取電流預計值與實際值間的偏差，利用偏差對系統模型反復的修正，直至誤差全部消失，以此計算出轉子的轉角與轉速。利用此觀測器能夠在α-β參考坐標系下的反電勢進行估算，進而得出轉子與轉角的大小。通過直接檢測的方式只可獲得定子電流的大小，滑膜面s（x）的數值為0，在定子實際電流基礎上，即s（x）的數值為與is之差時，此時估計電流與滑膜面相接觸后，滑膜的形態將發生改變，估計值與實際值之間的差值為0。其中，滑膜觀測器模型的表達式為：

公式

式中，z的計算方式為Ksign（-is）;“^”代表的是估計值;“*”代表的是指令值;

反電勢估計值主要是指在飽和函數的運算下，通過數據輸出得出z的數值，然后經過低通濾波器的過濾，從中得到轉子的位置與角度。此時，濾波器將會在反電勢的作用下出現相位滯后等情況，滯后率與濾波器的截止頻率有所關聯，當截止頻率的數值越小時，滯后率便越大。在濾波器相頻相應的基礎上，構建相位補償表，采用已知速度對相位補償表的索引進行計算，并由此獲得相位補償角的數值，再將其與轉子角度相加，即可得出轉子磁通的估計角度。

2 滑膜觀測算法的實現

滑膜觀測估算主要是在DSP的基礎上，由霍爾電流傳感器對a相、b相電流進行采集，在A/D轉換后獲得相電流數值，再經過CLARK變化后將原本的三相靜止坐標改為兩相坐標系，進而將其轉變為直流量，將二者的輸出數值進行對比參考，在PI調節的基礎上，獲得最終控制量，經過PARK變化后，得出輸入逆變器矢量，以此來計算基本時間控制器，對該設備的開啟與關閉狀態進行控制，電流環的采樣頻率設置為16kHz;在滑膜觀測計算時采用Matlab模糊控制工具箱，對Lyapouv函數算法進行分析，模糊推理規則如下：

Rule1：If E is PB and PE is PB Then Ksw is PH;

Rule2：If E is PB and PE is ZR Then Ksw is PB;

Rule3：If E is ZR and PE is PB Then Ksw is PS;

Rule4：If E is ZR and PE is PB Then Ksw is NS;

Rule5：If E is NB and PE is PB Then Ksw is NH;

從上述推理規則中能夠看出模糊輸出、輸入之間的關系，當輸出Ksw與輸入is之間的關系較為接近時，也就是與飽和函數之間的分段線性較為接近時，但飽和函數由于輸入is而不同時，如若is的數值不斷增加，則ksw也將隨之增加;如若is的數值不斷減小，則ksw的數值也隨之減小。這種對增長趨勢進行有效控制的方式，能夠有效抑制抖振，與飽和函數相比效果更加理想，系統的動態性能也可隨之提升，使系統的穩態誤差得到有效縮減。為了進一步對PMSM轉子的位置進行觀測，使觀測器的抖振得到更有效的一致，本文根據高速電機轉速對模糊控制中的厚度、輸出增益Ksw數值進行調整，使其能夠與觀測器的靜態性能相符合，即數值為1.1-1.3時，Ksw更加符合滑膜觀測器的穩定條件。

3 仿真分析

本文利用MATLAB6.5對系統進行仿真分析，仿真實驗依據上述構建的滑膜觀測器模型。在仿真過程中，不考慮系統擾動、慣性等因素對實驗結果產生的干擾，假設在理想狀態下進行的實驗。由于使用的電機模型自身具有位置編碼器，能夠通過編碼器信號獲取到電機此時轉子的真實角度。通過將系統中轉子角度波形與估算結果進行對比分析可知，在實際運行過程中，能夠較為精準的確定出實際角度，而估算角度與實際數值相比具有些許滯后性，這主要是由于系統的慣性特征影響。

為了對滑膜觀測器的實效性、系統穩定性進行深入檢測，可將整個仿真實驗階段劃分為兩個部分，一部分為變負載，另一部分為變速度。在系統運行過程中，變速度仿真參數在0.05s時逐漸由原本的500r/min轉變為800r/min，當其運行到第0.1s時，由將仿真參數的負載量從0.5N轉變成2N·m;當其從0運行到0.5s時，負載量為0.5N·m，已知的轉速為500r/min。從實驗結果可知，在電機剛剛啟動之時，電機轉矩在較短的時間內提高到了6N·m，與此同時，相電流也開始以較大的幅度提升。當電機轉速逐漸上升到給定的數值后，電機的轉矩逐漸從上升轉變到下降狀態，降至0.5N·m不變，與負載數值保持均衡;

在0.05s至0.1s之間，負載保持0.5N·m的數值不變，轉速發生較大改變，達到800r/min。由于轉速在較短的時間內突然提升，此時電機中相電流與轉矩的相差較大，在短暫的調整就，電機轉速同樣提高到了800r/min，此時電機運行較為穩定，相電流與轉矩也逐漸恢復到初始速度。但是，相電流的變化幅度與500r/min時相比仍然較大。在0.1s以后，電機的負載量逐漸變化為2N·m。從結果圖的波形來看，在負載變化中電機的轉速波動數值較小，且在較短的時間內便可達到穩定狀態，其響應取消為一條直線，這充分說明電動機中負載突變的干擾力與速度調節能力均較強。當負載數值突然增加時，電機的轉矩與相電流均能在較短的時間內適應負載的改變隨之增加，確保電機能夠始終處于穩定的運行狀態。

4 結論

綜上所述，通過仿真結果能夠看出，傳統滑膜觀測器中抖振現象較為嚴重，通過構建滑膜觀測器模型能夠有效抑制抖振問題，并對電機轉子的位置與轉速進行估計和驗證，這對于提高電機使用效率、延長使用壽命來說意義重大。

參考文獻

[1]高偉光.基于滑模觀測器的高速永磁同步電機無傳感器技術研究[D].哈爾濱工業大學，2015.

[2]韓俊林.基于滑模觀測器的內永磁同步電機無位置傳感器控制[D].東南大學，2016.