一種永磁同步電機(jī)失磁故障滑膜調(diào)速方法

目云奎 陳玄

摘要：針對如何改善永磁同步電機(jī)（PMSM）控制性能，采用一種基于永磁磁鏈在線觀測的滑模調(diào)速方法。首先，采用基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的速度環(huán)控制模型，分析永磁磁鏈對電機(jī)帶負(fù)載能力的影響。然后，在磁場同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中構(gòu)造永磁同步電機(jī)的新型磁鏈觀測狀態(tài)方程，通過龍伯格觀測器隔開觀測器中電機(jī)速度變化對觀測器誤差方程造成的影響，借助Lvapunov穩(wěn)定性理論對觀測器的穩(wěn)定性加以證明，依據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)等值控制原理構(gòu)造出永磁磁鏈算式。最后，通過仿真驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);滑模調(diào)速;永磁磁鏈;龍伯格一滑膜觀測器

0引言

交流永磁同步電機(jī)因優(yōu)異的性能在現(xiàn)代交流傳動領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)（permanent-magnetsynchronous motor，PMSM）永磁材料受外部磁場環(huán)境以及溫度變化的影響而導(dǎo)致失磁，降低電機(jī)控制性能，嚴(yán)重時電機(jī)可能直接報廢。針對PMSM受失磁影響而導(dǎo)致控制精度降低的問題，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量研究工作，文獻(xiàn)[1】在電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定時，利用RLS算法對四個電氣參數(shù)進(jìn)行辨識，文獻(xiàn)[2】在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識算法中結(jié)合最小均方值收斂辨識出電感磁鏈等參數(shù)，文獻(xiàn)[3】把離線估算出的定子電阻用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器，對轉(zhuǎn)子磁鏈等參數(shù)進(jìn)行在線辨識，然后利用在線辨識的參數(shù)進(jìn)一步更新定子電阻值，由于存在離線辨識導(dǎo)致該方法難以滿足實(shí)時性要求過高工況，文獻(xiàn)[4】采用多智能體蝙蝠算法對永磁同步電機(jī)多個參數(shù)進(jìn)行辨識。文獻(xiàn)[5-6】為了過濾掉辨識過程中噪聲信號，采用擴(kuò)展的卡爾曼濾波器辨識電機(jī)參數(shù)，但計算過程較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]剖析欠秩問題的本質(zhì)，通過自適應(yīng)律得到永磁同步電機(jī)的速度和永磁磁鏈。

永磁同步電機(jī)運(yùn)行時永磁磁鏈?zhǔn)艿酵獠凯h(huán)境的影響而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致永磁磁鏈發(fā)生失磁，進(jìn)而影響到滑模調(diào)速控制性能。文獻(xiàn)[8】基于指數(shù)趨近律進(jìn)行滑模調(diào)速控制，改善了永磁同步電機(jī)控制性能。文獻(xiàn)[9】利用積分滑模改善速度環(huán)控制，得到一定的效果。文獻(xiàn)[10】采用的新型趨近律與分?jǐn)?shù)階控制相結(jié)合設(shè)計速度控制器以減小系統(tǒng)的抖動性。

針對傳統(tǒng)速度調(diào)節(jié)方法沒有考慮到永磁磁鏈變化對永磁同步電機(jī)帶負(fù)載能力的影響。本文利用滑模變結(jié)構(gòu)控制與龍伯格控制器相結(jié)合的方法對永磁磁鏈進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)參數(shù)反饋到速度環(huán)中進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而保證發(fā)生失磁工況時永磁同步電機(jī)的帶負(fù)載能力。通過仿真對該方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1PMSM數(shù)學(xué)模型

在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下PMSM的電壓方程為：

仿真在電機(jī)失磁工況下進(jìn)行，磁鏈在0.1 s時，由0.175 Wb變?yōu)?.150 Wb。

為了驗(yàn)證所構(gòu)造的磁鏈觀測器的魯棒性，分別在PI調(diào)速控制和滑模調(diào)速控制兩種情況下運(yùn)行，且在0.08 s時，電機(jī)速度由300 rad/s加速到380 rad/s。仿真結(jié)果如圖2（a）、圖2（b），結(jié)果顯示在兩種控制下，設(shè)計的觀測器能很好地跟蹤目標(biāo)參數(shù)，魯棒性較好。

圖3是PI調(diào)速控制下iq軸電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間曲線。圖4是滑模調(diào)速控制下iq軸電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速響應(yīng)時間曲線。由圖3（a）、3（b）和圖4（a）、4（b）可以看出，分別在0.05 s和0.1 s時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由0N.m突加為2 N.m、永磁體磁鏈發(fā)生失磁時，PI調(diào)速控制下，‘軸電流以及電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢。由圖3（c）、4（c）可知滑模控制下，轉(zhuǎn)速可以快速響應(yīng)。由圖（3）、圖（4）知，當(dāng)發(fā)生失磁工況時，應(yīng)及時觀測出磁鏈，并反饋到速度環(huán)，以保證電機(jī)帶負(fù)載能力不變，仿真結(jié)果表明，磁鏈觀測器具有較高的魯棒性，以及在失磁工況下滑模調(diào)速控制具有明顯優(yōu)越性。

4結(jié)論

本文提出了永磁同步電機(jī)新型狀態(tài)方程模型與滑模變結(jié)構(gòu)以及龍伯格觀測器相結(jié)合方式，隔開了電機(jī)速度對觀測器誤差方程的影響，給出磁鏈參數(shù)觀測值，然后把觀測所得觀測值反饋到滑模調(diào)速控制中，以保證電機(jī)快速響應(yīng)。魯棒性強(qiáng).滑模變結(jié)構(gòu)觀測器參數(shù)易于選擇。仿真結(jié)果對該方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。