基于全階狀態滑模觀測器的混合永磁記憶電機磁鏈觀測

姜曉奇 , 劉維亭, 魏海峰 , 張 懿

基于全階狀態滑模觀測器的混合永磁記憶電機磁鏈觀測

姜曉奇1,2, 劉維亭1, 魏海峰1,2, 張 懿1,2

(1. 江蘇科技大學 電子信息學院, 江蘇 鎮江, 212003; 2. 常熟瑞特電氣股份有限公司, 江蘇 蘇州, 215500)

由于混合永磁記憶電機(HPMMM)永磁體在線充磁與去磁時轉子磁鏈定向難度大, 針對HPMMM永磁體在線調磁時磁鏈觀測精度不高的問題, 提出了一種基于全階狀態滑模觀測器的混合磁鏈觀測方法。該方法采用全階磁鏈觀測器并結合滑模反饋部分保證電流觀測值收斂于真實值, 同時對HPMMM定子電流與轉子磁鏈實時觀測，進而獲得更高精度的轉子磁鏈觀測。全階狀態滑膜觀測器應用于HPMMM矢量控制策略中, 優化了系統整體控制復雜程度。最后通過仿真對比分析, 相比傳統永磁同步電機而言, HPMMM調速范圍更寬, 交直軸電流波動較小, 收斂于實際磁鏈速度更快, 表明該方法能進一步提高交流脈沖對HPMMM充磁和去磁時磁場定向的準確性, 增加系統參數魯棒性、穩定性。

混合永磁記憶電機; 在線調磁; 全階狀態滑模觀測器; 滑模反饋; 磁場定向

0 引言

近年來, 我國對海洋開發與海洋安全重視程度不斷上升, 水下無人智能裝置的研究成為當前熱點。在水下電力推進裝置中, 對水下特種推進電機選擇要求更高, 混合永磁記憶電機(hybrid permanent magnet memory machine, HPMMM)采用釹鐵硼和鋁鎳鈷混合勵磁, 既具有轉矩和功率密度高的優點, 又具有永磁磁通在線可調的特點, 可滿足水下復雜環境中對水下航行動力的需求[1-3]。HPMMM定子與傳統永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor, PMSM)相同, 轉子利用鋁鎳鈷永磁體的高剩磁、低矯頑力特性。在三相定子電樞繞組中輸入一個特定脈沖電流, 使得轉子中產生一個能夠瞬間改變鋁鎳鈷永磁體磁化水平的強磁場, 達到改變氣隙磁場的目的[4-6]。由于海洋環境惡劣, 為保障水下HPMMM在推進與控制系統穩定運行, 對HPMMM精準控制的研究受到越來越多關注。

為了更加精確地控制電機, 實現氣隙磁場的調節, 減少電勵磁損耗, 簡單高效地實現在線調磁, 解決調速范圍受限問題, 國內外研究者提出采用具有高矯頑力特性的釹鐵硼與具有高剩磁特性的鋁鎳鈷相結合, 作為HPMMM的永磁體, 再施加脈沖電流進行調磁[7-8]。這種特殊結構轉子可對永磁體進行在線充去磁, 而且幾乎沒有勵磁損耗。但氣隙磁通的檢測與調節難度較大, 對HPMMM施加調磁脈沖來控制氣隙磁通的關鍵在于轉子磁鏈定向識別的問題[9-11]。吳文進等[12]在同步旋轉坐標系下采用全階磁鏈觀測器估算電機定子電流和轉子磁鏈, 并采用歐拉法進行離散化分析來克服離散化誤差大的缺點, 但該算法在線辨識磁鏈精度不高。蔣林等[13]提出一種模糊自適應控制全階磁鏈觀測算法, 仿真結果表明在滿足系統自適應性和魯棒性條件下提高了轉速辨識精度, 不過僅限于低速范圍穩定運行, 中高速范圍運行缺乏進一步驗證。針對系統高魯棒性與寬范圍調速, 車海軍等[14]引入3階巴特沃思濾波器并采取改進的模糊比例積分(proportional integral, PI)代替之前的控制器, 消除掉輸入信號的雜質, 提高轉速在線辨識精度; 韋文祥等[15]將閉環轉子磁鏈觀測器(closed loop extended-state- observer, CESO)模型中不確定部分進行狀態擴展并反饋補償, 能在大范圍內進行調速, 在線辨識磁鏈, 但以上2種方案對電機參數要求較高, 系統魯棒性不高, 不能滿足水下復雜條件對推進電機的需求。楊公德等[16]對混合永磁磁通切換記憶電機采用分區控制, 低、高速區采用不同控制方式, 雖拓寬了電機調速范圍, 但控制方式過于復雜, 對高、低速沒有明確區分, 實用性不強。

文中針對HPMMM分析其調磁原理并推導電磁性數學模型, 提出了一種適用于水下電力推進與控制的新型觀測算法。該算法基于觀測精度較高的全階磁鏈觀測器并結合魯棒性較強的滑模反饋環節, 實現在線調磁, 使電機的磁鏈觀測具有更好的穩態性和收斂性, 優化了HPMMM負載突變時系統動態穩定性。最后, 采用Matlab/ Simulink對磁鏈觀測系統進行仿真研究與分析, 驗證了該方法的可行性和實用性。

1 HPMMM調磁原理

HPMMM的永磁體采用6極的V形結構, 如圖1所示, 該結構對聚磁有明顯作用, 在中間氣隙部分可得到較大的磁場。

采用相對保留時間值（待測成分與內參物保留時間之比）對KC中各待測成分色譜峰進行定位，以金絲桃苷的保留時間計算朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷I的相對保留時間，各成分的相對保留時間分別為1.212 0、1.259 3、1.291 3、1.392 5、2.093 6、2.195 6、2.769 9、3.091 3、3.417 7；各成分的RSD值分別為0.27%、0.31%、0.34%、0.37%、0.30%、1.03%、0.32%、0.28%、0.29%，相對保留時間規定值RSD在5%范圍之內，表明相對穩定，可用于色譜峰的定位。

圖1 HPMMM結構

HPMMM永磁體中采用隔磁橋增大了交軸方向磁阻, 減小了交軸方向電感, 使電機運行中直軸方向的氣隙磁場受交軸方向電樞反應而被極大削弱。當施加正向調磁脈沖電流時, 鋁鎳鈷和釹鐵硼混合永磁體會共同作用, 最終將混合磁通推向三相繞組, 使得產生的氣隙主磁通得到加強; 施加反向調磁脈沖電流時, 鋁鎳鈷和釹鐵硼混合永磁體會共同作用, 最終將混合磁通推向永磁體內部, 削弱內部磁場, 達到弱磁的目的。

圖2為HPMMM驅動控制系統原理框圖。根據光電編碼器與速度PI環得出電機速度反饋需求, 調磁電流分配控制器與可控調磁電流變量作用于調磁電流控制器。調磁電流控制器與調磁電流變換器共同對調磁電流進行控制與調節, 產生可控調磁電流變量, 實現了在線調磁的目的, 增強了系統靈活性。

圖2 HPMMM調磁原理框圖

2 HPMMM數學模型

根據廣義滑?？蛇_條件定義李亞普諾夫函數為

磁鏈方程

當調磁脈沖消失后, HPMMM可以等效為一臺傳統PMSM, 此時得到旋轉坐標系下狀態方程

(1)虛擬水戰略對水資源消費的影響。通過實施虛擬水戰略可以減少新疆的農業用水量，情景B對棉花水資源消費影響最大，提高單產后2020年與2025年棉花水資源消費分別減少62. 23億m3、72. 21億m3，情景E對種植業水資源消費影響最大，調整種植業結構與采用高效節水技術后2020年與2025年種植業水資源消費分別減少87. 52億m3、115億m3。

3 全階狀態滑模觀測器

3.1 全階狀態磁鏈觀測器

法軍重振精神，1914年9月8日，新增援軍投入全線戰斗。9月9日，德軍開始動搖、敗退。出租車司機們苦戰兩天兩夜。在加利埃尼的指揮下，他們奮勇前進，終于在石油的參與下拯救了巴黎。

式中, 系數為反饋增益矩陣。對的選取, 一方面需保證觀測值的收斂足夠快; 另一方面, 需盡量讓系統構造簡單, 減小算法復雜程度; 符號“＾”代表估計值。選擇系數

真是呆子！有啥法？他早就是豬八戒了，我可得見機行事。于是，我搬把椅子坐到窗前，巴克夏把燈關了，坐在椅背上，挽挽袖子，露出躍躍欲試的架式。

（五）能力素質不夠過硬。從運行情況看，雖然多數同志工作熱情很高，經常加班加點，但工作難推動、效率比較低、質量不夠高的現象還不同程度存在，主要原因是自身能力素質不夠過硬，與新體制新任務不相適應。有的能力提升不快，缺乏本領恐慌意識，滿足于“差不多”“過得去”，吃老本、憑經驗，對新知識新技能學習不夠，對新標準新要求掌握不多，跟不上形勢，打不開思路。有的業務素質不夠全面，缺乏一專多能，尤其是新交流到省軍區的干部，來源多樣、成分復雜、素質各異，大都是國防動員工作的“新手”，實踐經驗相對不足，短期內難以打開工作局面，等等。

計算得到

3.2 全階狀態滑模磁鏈觀測器

為了進一步增強全階磁鏈觀測器對檢測變量變化的敏感程度, 選擇將滑模觀測器的滑模反饋融入其中, 形成新型全階磁鏈觀測器, 提高了全階狀態滑模觀測器對檢測參數的敏感度和魯棒性。

根據式(3)狀態方程以及相關觀測器知識, 對定子電流觀測值和實際值進行比較, 構造出全階狀態觀測器為

對Abaqus中的經典庫倫摩擦模型進行了研究和模擬，證實了Abaqus的經典庫倫摩擦模型可以很好地模擬樹根拔出的前峰值階段和峰值階段，然而基本不能對后峰值階段進行修正[5]。

全階狀態滑模觀測器構建為

從中央、省委到地方巡視組在巡視反饋意見中不難發現，個別職業院校黨委對意識形態工作思想上不夠重視，對當前意識形態領域斗爭的復雜性認知不足，敏銳性不夠，工作責任制落實不到位。有的院校認為意識形態工作比較“虛”，想要抓卻不知從何抓起，想要落在實處又欠缺工作經驗，片面認為宣傳部門牽頭主抓這項工作就可以了，沒有擺到學校全局去謀劃，缺少專題研究和專項工作部署。

可得出轉子磁鏈觀測值為

對于全階滑模觀測器系統, 式(8)可改寫為

在保證剪葉器工作效率不低于120盤/h，即表中時間不高于30s的情況下，集葉率最高的為效果最好的，其R值即為設計的參考數據。從表1中看出，選定的R值應為82mm。

電壓方程

高潮摸了摸自己的包，心里說，吳限的手機在這里呢，老子是雙槍。干這個擺不到桌面上的勾當，不能像狡猾的兔子一樣有仨窩，也總得準備倆吧？

為全面深入地考核田陳煤礦選煤廠兩段濃縮、兩段回收工藝，于2012年1月5日進行了工業性試驗。浮選尾煤和中煤、矸石磁選機尾礦是尾煤泥系統的入料，其粒度組成見表1。

用式(11)與式(10)相減, 得到估算電流誤差的動態方程

綜上所述, 可得全階狀態滑模觀測器結構框圖如圖3所示。HPMMM永磁磁鏈觀測器法利用電壓、電流及轉速信號可在線觀測永磁磁鏈, 有利于達到控制電機在線調磁的目的。

4 仿真結果與分析

為了驗證文中提出的全階狀態滑模磁鏈觀測器對HPMMM磁鏈觀測精度高, 系統魯棒性強的控制效果。根據HPMMM的特點構造含有全階滑模磁鏈觀測器的控制系統?；贛atlab/Simulink仿真搭建了含有全階狀態滑模磁鏈觀測器的控制系統模型, 系統整體仿真模型框圖如圖4所示。

①術語詞匯不熟悉：觀看雜技表演時，一位劇團領導介紹道：“我們的孩子都練童子功，有的從3、4歲就開始翻跟頭、下腰、劈叉了。”因為是現場臨時的發言，筆者對此并未提前準備，翻譯“童子功”時采用了解釋說明的方式，譯為skills trained from a young age，將“翻跟頭、下腰、劈叉”概括譯為some professional and difficult actions.

選擇HPMMM與傳統PMSM進行對比, 初始參數配置相同, 其定子三相均為Y接, HPMMM設定參數如表1所示。為驗證文中提出的采用全階狀態滑模觀測器算法的可行性與穩定性, 對傳統PMSM與HPMMM系統進行仿真, 并且對結果進行分析比較。

圖3 全階狀態滑模磁鏈觀測器結構圖

圖4 系統整體仿真模型框圖

4.1 仿真結果

傳統PMSM初始給定負載設置為0 N·m, 由靜止起動到額定轉速1 000 r/min后, 在0.2 s時刻給定負載突變為10 N·m 時, 經過約60 ms波動后, 進入穩態運行狀態。圖5為該電機在0.2 s突加負載后的運行特性曲線。

HPMMM電機設定從靜止起動至額定轉速1 000 r/min啟動負載為2 N·m。穩定運行后, 在0.15 s時轉速給定值突變為1 200 r/min, 在系統進入穩態運行后。在0.3s時, 電機轉速給定值再次突變為1 000 r/min, 電機轉速立刻下降到額定轉速, 系統再次進入穩態運行狀態。系統仿真結果如圖6所示。

圖6 電機轉速突變運行特性曲線

4.2 仿真對比分析

由上述仿真結果可知, 采用全階狀態滑模觀測器辨識HPMMM轉速、交直軸電流和永磁體磁鏈參數, 與傳統PMSM辨識所得參數進行對比。在電機啟動后, HPMMM轉速收斂速度更快; 在穩定運行中, 可對其進行突加負載, 由直軸電流方向發出調磁脈沖, 改變永磁體中鋁鎳鈷部分磁化水平, 達到調磁目的, 并且交直軸電流波動更小, 系統更穩定; 在調磁后, 觀測器能快速收斂于變化后的磁鏈, 可得出系統魯棒性更好。

5 結束語

基于混合永磁磁鏈在線可調特性, 提出了全階狀態滑模觀測的控制策略。HPMMM用作水下特種推進電機時, 具有高穩定動力性能、寬范圍調速。為了驗證所提出策略的有效性, 通過仿真結果分析可知, 該觀測器滿足永磁體磁鏈在線調節性能, 具有更高精度的磁鏈觀測, 控制穩定性更好。在水下電力推進與控制中, HPMMM的在線調磁法使電機獲得更寬的恒功率速度范圍, 并且在調磁過程中幾乎沒有調磁損耗, 提高了電機運行效率、減小能源消耗。

采用全階狀態滑模觀測器, 引入滑模反饋部分, 使電流觀測值更快收斂于真實值, 估測結果精度較高, 能在短時間內完成動態響應, 反映出觀測器具有較好的抗干擾能力。在線實時觀測永磁體磁鏈, 有利于判斷HPMMM的調磁過程。

但是, 文中電機控制局限于仿真, 實際中通過施加脈沖電流調節永磁體磁化水平的策略, 可能會對系統造成明顯抖動, 并且會對電機絕緣有所影響, 后續工作中可對其進行深入分析研究。

[1] 王秀和．永磁電機[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011: 18-20．

[2] 張林森, 徐海珠, 王松林. 一種新型水下推進用雙轉子永磁電機及其研究現狀[J]. 魚雷技術, 2013, 21(6): 445-449. Zhang Lin-sen, Xu Hai-zhu, Wang Song-lin. The New Type of Dual-rotor Permanent Magnet Motor for Underwater Propulsion: a Review[J]. Torpedo Technology, 2013, 21(6): 445-449.

[3] 李宏, 張鵬舉. 雙三相電機感應電機矢量控制研究[J]. 魚雷技術, 2016, 24(5): 351-356. Li Hong, Zhang Peng-ju. Vector Control of Dual Three-Phase Induction Motor[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(5): 351-356.

[4] 周裕斌, 陳陽生. 一種混合永磁記憶電機的設計[J]. 電工技術學報, 2015, 30(14): 51-60. Zhou Yu-bin, Chen Yang-sheng. Design of a Hybrid Permanent Magnet Memory Motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 51-60.

[5] Ostovic V．Memory motors[J]. IEEE Industry Transactions on Industry Applications, 2003, 9(1): 52-61．

[6] 林明耀, 楊公德, 李念. 混合永磁記憶電機系統及其關鍵技術綜述[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(4): 1187-1202. Lin Ming-yao, Yang Gong-de, Li Nian. Overview of Hybrid Permanent Magnet Memory Machine Systems and Their Key Technologies[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(4): 1187-1202.

[7] 壯而行, 陽輝. 磁通切換型記憶電機控制策略研究[J]. 微特電機, 2016, 44(10): 4-10. Zhuang Er-xing, Yang Hui. Research on Control Strategy of Flux Switching Memory Machine[J]. Micro Motor, 2016, 44(10): 4-10.

[8] 朱孝勇, 程明, 趙文祥. 混合勵磁電機技術綜述與發展展望[J]. 電工技術學報, 2008, 23(1): 30-39. Zhu Xiao-yong, Cheng Ming, Zhao Wen-xiang. An Overview of Hybrid Excited Electric Machine Capable of Field Control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(1): 30-39.

[9] 林鶴云, 劉恒川, 黃允凱. 混合永磁記憶電機特性分析和實驗研究[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(36): 71-76. Lin He-yun, Liu Heng-chuan, Huang Yun-kai. Characteristic Analysis and Experimental Study of a Hybrid Permanent Magnet Variable Flux Memory Motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(36): 71-76.

[10] 王高林, 陳偉, 楊榮峰. 無速度傳感器感應電機改進轉子磁鏈觀測器[J]. 電機與控制學報, 2009, 13(5): 638- 642. Wang Gao-lin, Chen Wei, Yang Rong-feng. Improved Rotor Flux Estimator for Sensor Less Induction Motor[J]. Lectric Machines and Control, 2009, 13(5): 638-642.

[11] 趙武玲, 魏振, 姚廣. 永磁同步電動機全階狀態觀測器的設計及分析[J]. 微特電機, 2019, 47(1): 20-24. Zhao Wu-lin,Wei Zhen, Yao Guang. Design and Analysis of Full-Order State Observer on Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Micro Motor, 2019, 47(1): 20-24.

[12] 吳文進, 蘇建徽, 劉鵬. 感應電機全階磁鏈觀測器設計及其控制性能對比分析[J]. 電機與控制學報, 2016, 20(4): 78-83. Wu Wen-jin, Su Jian-hui, Liu Peng. Design of Full-Order Flux Observer and Comparision Analysis for Its Control Performance[J]. Lectric Machines and Control, 2016, 20(4): 78-83.

[13] 蔣林, 吳俊, 邱存勇. 感應電機模糊自適應全階磁鏈觀測器研究[J]. 控制工程, 2016, 23(6): 858-863. Jiang Lin, Wu Jun, Qiu Cun-yong. Study on Fuzzy Adaptive Full-Order Flux Observer for Induction Motor[J]. Control Engineering of China, 2016, 23(6): 858-863.

[14] 車海軍, 王亮亮, 霍麗嬌. 改進的無功功率模型參考自適應異步電機轉速辨識[J]. 電機與控制學報, 2017, 21(10): 40-46, 53.

Che Hai-jun, Wang Liang-liang, Huo Li-jiao. Improved Reactive Power Model Reference Adaptive Speed Identification Applying to Induction Motor[J]. Lectric Machines and Control, 2017, 21(10): 40-46, 53.

[15] 韋文祥, 劉國榮. 基于CESO磁鏈觀測器的模型參考自適應感應電機轉速辨識[J]. 電機與控制學報, 2016, 20(4): 57-63. Wei Wen-Xiang, Liu Guo-Rong. Speed Identification for Induction Motor Based on CESO Flux Observer and MＲAS[J]. Lectric Machines and Control, 2016, 20(4): 57-63.

[16] 楊公德, 林明耀, 李念. 混合永磁軸向磁場磁通切換記憶電機分段弱磁控制[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(22): 116-125, 326. Yang Gong-de, Lin Ming-yao, Li Nian. Flux-Weakening Stage Control of Hybrid Permanent Magnet Axial Field Flux-Switching Memory Machines[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(22): 116-125, 326.

Flux Linkage Observation of Hybrid Permanent Magnet Memory Machine Based on Full-Order State Sliding Mode Observer

JIANG Xiao-qi1,2, LIU Wei-ting1, WEI Hai-feng1,2, ZHANG Yi1,2

(1. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2. Changshu Ruite Electric Co., Ltd, Suzhou 215500, China)

To improve the accuracy of flux linkage observation in on-line tuning of the hybrid permanent magnet memory machine(HPMMM), a hybrid flux linkage observation method of full-order state sliding mode observer is proposed. This method combines a full-order flux linkage observer with the feedback part of the sliding mode to ensure that the current observation converges to the true value. The HPMMM stator current and rotor flux linkage are observed in real time, and the rotor flux linkage observation is obtained with higher precision. The full-order sliding mode observer is applied to the vector control strategy of HPMMM for optimizing the overall control complexity of the system. Simulation shows that, compared with the traditional permanent magnet synchronous motor(PMSM), HPMMM has a wider speed range, smaller direct-axis and quadrature-axis current fluctuation, and faster speed of convergence to actual flux linkage, indicating that the proposed method can further improve the accuracy of the magnetic field orientation by AC pulse during magnetization and demagnetization of HPMMM and enhance the robustness and stability of the system parameters.

hybrid permanent magnet memory machine(HPMMM); on-line flux tuning; full-order state sliding mode observer; sliding mode feedback; magnetic field orientation

TJ630.1;TM351

A

2096-3920(2020)02-0194-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.012

2019-09-13;

2019-10-16.

國家自然科學基金項目(51977101); 江蘇省省重點研發計劃產業前瞻與共性關鍵技術重點項目(BE2018007); 江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目資助.

姜曉奇(1994-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為電氣傳動控制.

姜曉奇, 劉維亭, 魏海峰, 等. 基于全階狀態滑模觀測器的混合永磁記憶電機磁鏈觀測[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(2): 194-201.

(責任編輯: 許 妍)