基于永磁同步電機滑模觀測與控制策略研究

劉鑫

摘要：電機是我們生活當中不可或缺的一個重要部分，為了能夠更好地保證我們國家的發展，電機相關的技術和我們需要關注的電機質量都是十分重要的。而隨著我們國家的科技技術不斷發展，基于永磁同步電機的滑模觀測成為我們現如今最常使用的電機之一，我們下文當中就將詳細地探討基于永磁同步電機滑模觀測以及其控制的相關策略。

關鍵詞：永磁同步電機;滑模觀測器;控制效率;控制策略

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0193-02

永磁同步電機實質上是一種通過無傳感器技術制作的電機，其具有相當多種的優勢，像是其花費較少的同時，維修時所需要的費用和精力也較少，另外在結構方面，永磁同步電機也具有結構簡單的特性。永磁同步電機的主要作用是通過無傳感器控制技術來進行內部的轉速控制，基于PMSM凸極效應的高頻信號注入，能夠對永磁同步電機當中的轉速進行初步的控制，從而保證電量的產出，另外則會采用到一種電機模型的估算法，這種方法會將永磁同步電機當中的滑模觀測器進行控制，這也是我們如今永磁同步電機當中的一個研究重點。

我們接下來將要探討的就是，關于傳統的滑模觀測器和現如今永磁同步電機的滑模觀測器之間的區別。我們要知道的是傳統的滑模觀測器具有一些缺點，首先就是由于切換函數是符號函數的緣故，這種系統存在著高頻抖振的問題，另一方面在永磁同步電機的調速系統當中，電機的轉速需要實時的反饋到系統當中，然后通過系統反饋給輸入端，在傳統的速度當中，PI控制器能夠滿足基本的使用要求，能夠將調速完整的傳輸到輸入端當中，但是同樣的這種調速的準確性比較依賴系統本身的模型準確性，很容易因為外界的各種因素和參數發生改變，從而導致調速的不準確。而滑模觀測器則是對這種系統的一種改良方式，因為滑模觀測器對于模型的精確度要求不高，所以在外部干擾和外部參數出現的時候能夠有效地保持自身的準確性。

1 滑模觀測器

1.1 二階滑模觀測器

首先，我們先要進行講解的是滑模觀測器，滑模觀測器實際上指的是一種狀態重構器，屬于一種電機當中的動態系統，在系統進行變量的輸入的時候，將輸入的變量進行計算，得出狀態變量估計值，然后進行電機的控制[1]。這種滑模觀測器的作用一般情況下包含以下三種，第一種是為狀態反饋技術提供了最基礎的設備需求，另一方面就是在控制工程當中進行具體應用，像是通過復制擾動來實現擾動的完全補償。第二個作用就是對整個電機的實際操作系統進行實時的控制和測量，保證實際系統的輸入和輸出的時候，對系統內部的狀態進行一個估計，得出一個估計值。第三個作用則是進行反饋作用，將估計狀態逐漸逼近正常的輸出和測量輸出值。

在傳統的表貼式PMSM在坐標軸當中進行定子電流的模型建立，然后將其作為狀態變量的數學模型，將定子電流設置為坐標系的分量，而定子電壓同樣作為坐標軸的分量。另外我們根據電機數學模型和滑模理論，可以通過S（x）=iS-iS，在這個公式當中，iS是電機當中的估計值，而iS則是電機當中的實際電流反饋值。由于在整個過程當中，能夠進行測量的數值只有電機當中的定子電流，所以我們可以通過滑模面的選擇來進行其他值的控制，像是將滑模面S（x）=0選取在定子電流軌跡上，這樣就能夠控制公式當中的電流估計值等于電流實際值。這樣一來，我們就可以通過二階計算進行公式的改變，變成：

而傳統的永磁同步電機的滑模觀測器則完全不同，下面的公式是永磁同步電機當中滑模觀測器的公式：

其中C代表的是反饋系數的矩陣，而反饋系數c是一個大于0的長輸，“^”代表著整個公式當中的觀測器估計值，sgn（·）則是整個電機當中的開關函數，G是開關增益矩陣，gr則是整個滑模觀測器當中的開關增益，為了更好地保證永磁同步電機準確性，我們需要根據等效控制原理進行反電動勢的控制，可以將反電動勢通過狀態變量的誤差值和開關函數一同表示[2]。

低通濾波器的引入一方面會使得整個電機當中出現相位延遲問題，另一方面由于相位延遲的緣故，在低通濾波器當中會出現截止頻率和輸入信號的頻率不同的情況，這個時候就需要采用相位補償的方式來進行頻率的彌補，但是相位補償的方法會導致整個電機的控制系統的運算量大大增加，從而導致卡頓，進一步就有可能導致整個控制系統的運輸數據速度變得緩慢，造成誤差的出現。所以為了更好地解決這一問題，我們會通過正交鎖相環處理反電動勢的觀測值誤差，同時還能夠有效的簡化鎖相環參數設計。

1.2 全階滑模觀測器

傳統的滑模觀測器和現如今我們所使用的滑模觀測器有一定的不同，我們所說的另一種滑模觀測器是現如今大規模使用的叫作全階滑模觀測器，全階滑模觀測器在實際使用當中，其對于調速系統的影響和傳統的二階滑模觀測器對調速系統造成的影響是完全不同的。這種全階滑模觀測器會通過雙曲正切函數進行自身數據的調整，通過雙曲正切函數替換sgn函數的方式來進行抖振問題的解決。除此之外，邊界層的設計同樣能夠有效地控制雙曲正切函數，并且實現軟開關滑模觀測器的控制。而這兩者所表現的函數為：

邊界層的設計目的就是通過實現軟開關滑模觀測器來進行抖振問題的解決，邊界層的厚度就是當中的δ，邊界層厚度的厚度越大，那么對于抖振的抑制力也就越大，但是如果邊界層的厚度過大，那么雖然能夠有效地減少抖振的影響，但是同時也會由于過厚的厚度而導致滑模觀測器的反應速度變得緩慢，使得整個電機的系統魯棒性降低。

2 滑模觀測器的速度控制

上文中已經詳細地說明了滑模觀測器的功用以及它的重要性，那么這里就需要開始講解滑模觀測器的控制方法。首先我們要知道滑模觀測器的設計過程需要設計哪些方面，這里我們所需要進行探討的部分就是滑模觀測器的控制系統組成方面，滑模觀測器的速度控制系統一般情況下，其所控制的各個設備進行組成，這其中可能包括各種各樣的技術和公式。就意味著如果想要讓滑模觀測器的系統性能提升，那么就需要對技術和公式都進行設計改良[3]。

第一個我們所選擇的方式就是對速度控制系統的算法進行一定的設計，我們要知道的是滑模的速度控制一般情況下是基于相平面的控制，其主要的原因是在任意出發位置都能夠通過趨近律進行控制，然后引導到滑模面上進行進一步的控制。但是，與此同時傳統的滑模觀測器會面臨抖振問題，我們可以通過雙曲正切函數進行sgn函數的替換盡可能地減少抖振問題的影響，但是同時又會導致整個系統的魯棒性下降，然后我們又需要通過解決魯棒性的下降進行系統性能的提升，然后又會導致抖振問題，各個問題環環相扣。所以本文當中將會對這些問題進行統一的解決，具體的方法就是通過具有擾動觀測和補償能力的抗干擾滑膜控制器進行常規PI速度的控制，從而提升系統性能。這同樣也是我們所選擇的技術方面的改良，我們直接通過更換滑膜控制器的方式來解決原本傳統的滑膜控制器所無法做到的事情，從而提升整個速度控制系統的性能。通過技術的更迭來增加原本傳統的滑模觀測器所無法做到的事情，另一方面還能夠通過技術的更迭來提升整個傳統的滑膜觀測器性能。

另一方面就是關于速度控制系統的改良，我們要知道的是速度控制系統當中所包含著整個電機的動作模塊，也就是速度控制器的運行根本。速度的控制主要來源于算法，而為了能夠更好地提升整個系統的性能，那么對算法就需要進行一定的更新和改良。所需要進行設計的部分就是速度的控制算法，速度控制系統所擁有的系統慣量十分巨大，同時其所需要的控制精度也很高，所以速度控制算法也是一個必要的事物[4]。另外，在進行速度控制算法的設計時，需要注意的地方一般情況下是，在改良的時候，我們需要保證我們是為了能夠獲得更好的控制效果，而進行速度控制算法的改良。那么在改良速度控制算法的過程中，最為重要的就是提高算法對于系統的控制力，如果控制力達到要求，那么這個速度控制算法就是成功的。然后就是對控制系統的編程內容，除了使用GX Developer這個編程程序來進行速度控制系統的算法改良之外，還可以使用一個基于Linux 的國產控制系統Jariworks，這個編程程序能夠更好地進行實時的操作反應，并且具有很強的多任務處理能力。在進行程序的處理過程中，Jariworks相對于GX Developer而言，具有一定的優勢，像是在資金方面，Jariworks所需要的資金較低，而GX Developer所需要的資金則較高。并且，Jariworks所擁有的各種功能能夠在進行內核的配置選擇時，減少冗余，并且提高整體系統的穩定性。從而達到提升整個速度控制系統的目的。

3 仿真實驗

在模擬實驗當中，我們能夠更加明顯地看出兩者之間的差距，并且能夠有效地評價傳統滑?？刂破骱捅疚漠斨兴捎玫木哂袛_動觀測和補償能力的抗干擾滑膜控制器（Anti-disturbance Sliding Mode Controller，ASMC）。我們在仿真實驗中可以對電機的參數進行設置，然后我們對傳統的滑?？刂破鬟M行一次測量之后，開始逐步加入本文中所說的各種改良措施[5]。就像是我們通過使用全階滑模觀測器替換二階滑模觀測器的方式就有效地提升了永磁同步電機的滑模速度，另一方面，鎖相環的控制方法也有效地提升了整個系統的工作效能。

傳統的二階滑模觀測器在實驗當中，電機低速和高速階段的抖振現象都十分明顯，但是本文當中所使用的全階滑模觀測器則有效地將抖振現象進行了控制，甚至有的時候抖振現象已經降到無法觀測的程度。這樣一來，不僅僅有效地提升了觀測器的觀測精度，另一方面還使得觀測器能夠更好地追蹤電機當中的轉子位置。為了進一步地確保我們所提出的建議能提升電機的工作效率和系統效率，我們將會通過控制實驗平臺進行實驗研究，確保最終的數據準確性的同時，二次檢查本次所提出的建議的作用大小。

4 結束語

隨著我們所生活的時代不斷的進步，我們對生活的水平需求也越來越高，也正是因為如此，我們現如今所使用的電梯以及自動扶梯這樣的電子產品中，所使用的電機就是永磁同步電機。而永磁同步電機一直都以其先進以及創新而聞名，所以永磁同步電機也向衛星和國防系統中提供電機。上文當中，就是我們關于基于永磁同步電機滑模觀測與控制的策略研究。

參考文獻：

[1] 劉計龍，肖飛，麥志勤，等.IF控制結合滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器復合控制策略[J].電工技術學報，2018，33（4）：919-929.

[2] 郭磊磊，王華清，代林旺，等.基于超螺旋滑模觀測器的永磁同步電機無速度傳感器控制方法[J].電力自動化設備，2020，40（2）：21-31，34.

[3] 張利深，貴獻國，嚴亮.基于滑模觀測器的永磁同步電機直接轉矩控制研究[J].微特電機，2019，47（7）：61-64.

[4] 柯希彪，郭琳，袁訓鋒，等.基于模糊控制的永磁同步電機滑模觀測器控制[J].自動化與儀表，2020，35（5）：34-39.

[5] 吳定會，楊德亮，陳錦寶.基于滑模觀測器的永磁同步電機矢量控制[J].系統仿真學報，2018，30（11）：4256-4267.

【通聯編輯：李雅琪】