基于滑模觀測器的煤礦永磁同步電機的控制系統設計

侯 玫，張傳俊

（1.淮河能源控股集團有限責任公司煤業公司安裝工程分公司，安徽 淮南 232000；2.安徽工商職業學院，安徽 合肥 230000）

礦用電機車是我國礦山機械主要運輸方式，蓄電池充電通常在井下電機車庫進行，蓄電池電機車存在電池壽命短、加酸加液泄露等缺點，超級電容器具有充電時間長，使用溫度范圍寬等特點，使新型電機車具有充電速度快等優點，可以解決鉛蓄電池電機使用安全隱患。礦用電機車對驅動電機性能要求較高，交流電機不需應用電刷，消除換向火花引發瓦斯爆炸的隱患，減少檢修電刷的工作量，交流調速系統技術日益成熟，實現在礦用電機車上的應用。永磁同步電機出現推動永磁材料發展，永磁同步電機運行性能平穩，采用永磁同步電機為礦用電機車控制系統牽引電機，可以減少電機維護工作量。

1 煤礦永磁同步電機控制技術研究

電機節能是國家節能減排工作的重點領域，采用交流電機成為調速牽引系統的必然趨勢，異步電機成為交流調速的主流電機，80年代初第三代稀土永磁材料問世推動永磁同步電機的發展，永磁材料發展使得電機本體性能得到提高，永磁同步電機不需無功勵磁電流，具有高功率密度，可維護性好等優點。同步電機不能自行啟動成為其推廣的障礙，隨著電力電子技術的發展，矢量控制問世使得交流調速系統性能得到提升，解決起步困難問題。

目前礦用電機車每臺配備3套鉛酸電池組，鉛酸蓄電池能量密度低，導致電機車用電效率低，充電設備初期建設投資較大，導致在市場上推廣受到制約。由于超級電容器制造工藝特殊性，其等效內阻低，超級電容比功率可達到10 000 W/k，超級電容具有很高的應用性能。礦用牽引機車工作環境惡劣，超級電容具有環保壽命長等優點。超電容電源裝置可進行短時大電流充放電，超級電容器問世于七八十年代，未來具有良好的發展趨勢。礦用電機車中永磁同步電機應用最多，異步電動機控制系統應用中存在低速性能不穩定等問題，參數變化會對系統造成影響。永磁同步電機誕生于1831年，近年來借助永磁材料發展控制技術日益成熟，永磁同步電機性能得到提升。

牽引電機是電機車核心部件，異步電機得到廣泛推廣應用。采用永磁材料同步電機優于異步電機，因其優越物理特性，加快永磁同步電機技術的發展。永磁同步電機作為礦用電機車驅動電機具有多種優勢。近年來永磁同步電機矢量控制技術快速發展，永磁同步電機轉子磁鏈為定值，矢量控制系統中準確檢測轉子角度實時信息是實現電機性能提高的前提。由于無傳感器控制技術的成熟，永磁同步電機矢量控制系統廣泛應用于航空航天設備等方面，有效提高系統控制精度與穩定性。無傳感器控制技術誕生開拓新技術領域，可以提高控制系統穩定的可靠性，推動永磁同步電機在各行業的應用。

2 礦用電機車永磁同步電機控制原理

近年來，高速永磁同步電機在現代工業生產中得到廣泛應用，但機械傳感器帶來成本增加，滑膜觀測器憑借其物理實現簡單等優點備受關注，滑膜觀測器結果易受到抖振干擾。無位置傳感器控制法成為當前熱點，主要包括高頻注入，滑膜觀測器等。交流電機分為同異步電機、異步電動機具有造價低等優點，但存在啟動轉矩小等缺點。永磁同步電機矢量控制系統成為重要的研究方向。

永磁同步電機根據轉子永磁體位置分為表面式與內嵌式，內嵌式永磁同步電機轉子磁路不對稱，轉子磁路結構不對稱性產生磁阻轉矩有助于提高過載能力。內嵌式永磁同步電機結構與傳統感應電機類似，將永磁體取代電勵磁繞組安裝在轉子上。轉子永磁體磁場與定子電流產生磁場相互作用，磁場關系變得非常復雜，建立電機數學模型非常困難。通常假設轉子無阻尼繞組，電機反電動勢在空間呈正弦分布。將三相靜止坐標系下永磁同步電機數學模型變換到兩相旋轉坐標系，坐標系合成磁勢在坐標軸投影效果相同，可得到三相靜止坐標系變換公式。電機調速控制關鍵是實現轉矩控制，矢量控制是將電機轉矩轉換為不耦合軸定子電流控制，存在d，p軸電流多種組合方式。

矢量控制核心是解耦控制，矢量控制采用轉子磁場定向控制策略，將三相電流矢量分解為相互垂直的勵磁電流矢量id、q軸建立在超前轉子磁通90°位置處，實時檢測轉子磁通位置可實現磁場定向控制。Id=0控制方法簡單，使得電機調速容易實現，id=0控制方法使永磁同步電機擁有相同于直流電機控制特性。電磁轉矩與iq成正比關系，在額定電流內可輸出較大轉矩。空間矢量脈寬調制是將定子電壓合成為旋轉電壓矢量，可用三相逆變器輸出任意相鄰基本電壓矢量表示定子電壓轉合為矢量狀態，調整矢量作用時間可提高旋轉磁場接近圓形程度。

3 滑膜觀測器PMSM控制系統

高性能永磁同步電機矢量控制要準確進行閉環控制，傳感器設備獲得反饋卡信號，增加機械連接與電氣連接，無傳感器永磁同步電機矢量控制具有廣闊前景。永磁同步無傳感器控制法包括基于高頻信號注入與基于電機反電動勢法，高頻電流注入方法需要對電流調節器進行特殊設計，通過對IPMSM在轉子參考坐標系基本電壓方程合理分析，對高頻信號注入法可行性驗證。

電流環是永磁同步電機矢量控制系統的內環，永磁同步電機矢量控制將定子電流控制分解為勵磁分量id與轉矩分量iq，點亮轉換到同步旋轉坐標系產生交叉耦合，電流調節器性能隨著轉速下降，降低交流環的控制性能。電壓前饋解耦等多種方法改善電流調節器耦合性能。耦合方案大多對電機參數依賴性強，改善電流耦合性能有限。復矢量電流調節器通過控制器不對稱復零點對消控系統不對稱復極點，改善電流動態耦合現象。數字實現通過將連續s域轉換到離散z域近似法離散化，在大多數場合下適用，采用直接設計法設計離散電流調節器可表現優越性能。

滑模變結構是變結構控制策略，具有對對象數學模型精度要求低，控制算法簡單等優點，滑膜變結構可迫使系統沿規定狀態軌跡作運動。滑模變結構控制在50年代出現，形成具有魯棒性好的控制系統。變結構自動控制系統是表現為控制不連續性非線性系統，滑膜控制條件包括穩定性等。滑模控制系統運動分為滑模面內外運動，設計滑模變結構控制器步驟包括設計切換函數s（x），u（x），滑模觀測器是驅使狀態變量軌線沿滑模面移動，估算電流誤差值中含有反電動勢估算信息，通過反電動勢公式得到位置角度估算值。結合鎖相環估算轉正位置，鎖相環模塊通過反電動勢與轉子位置關系，對轉子速度積分得到位置信息。

4 改進型滑模觀測器PMSM控制系統

永磁同步電機調速系統位置傳感器實現速度閉環控制，利用傳感器確定轉子磁極位置，產生所需電磁轉矩精確控制電機。采用光電籌碼器等機械位置傳感器降低系統可靠性，滑模觀測器通過分析電機數學模型修正估算值偏差估算轉子位置。電機方程往往忽略電機凸極性能。利用李亞普若夫穩定準則進行位置估算，通過建立電機數學模型估算轉子速度。

卡爾曼濾波器對估算誤差有很好的消除作用，要利用低通濾波器對PWM形式反電動勢進行濾波，滑模運動中產生抖振穩態，由于原先系統采用開關切換函數sign（x）估算反電動勢，狀態變量進行高速滑模切換產生高頻率抖動，采用飽和函數代替控制函數繼電特性，傳統卡爾曼濾波器中增益K1為固定值，K1取值過大引起系統出現振蕩。采用調速中系統在調速范圍內獲得更加良好的穩定性。采用MATLAB7.1系統仿真，經電流觀測器得出所需反電動勢，滑模電流觀測器將可測輸入量轉變為反電動勢輸出。

在永磁同步電機矢量控制方案基礎上修改，得到永磁同步電機無傳感器矢量控制結構，建立永磁同步電機矢量控制仿真模型。經磁鏈/電流觀測器，改進反電動勢觀測器得出轉子位置速度。電流觀測器將可測電壓作為輸入量，改進反電動勢觀測器將磁鏈得到電流估算值傳入模塊。經電流觀測器估算后反電動勢Ea波形不存在小波紋，根據永磁同步電機轉矩響應曲線，轉矩達到穩定值電機穩定運行。分析轉子位置實際值與估算值曲線，滑模觀測器可對角度進行估算。

5 永磁同步電機控制系統實現

永磁同步電機具有重量輕等優點逐漸受到交流伺服系統設計者的青睞，一些精密系統中對伺服系統要求更高性能，用戶希望在原有系統集成更多。實驗選用TI公司生產數字信號處理器TMS320F2812，設計部分包括軟件環境與設計流程，硬件設計驅動電路等。永磁同步電機控制系統硬件結構從整體設計，根據小模塊功能進行硬件設計，使系統獲得良好抗干擾能力。

控制系統硬件電路分為主電路與控制電路部分，主電路部分包括整流濾波環節，控制部分包括直流電壓檢測模塊等。系統控制將220 v交流電壓輸入整流濾波器輸出直流電壓，系統出現過壓信號保護電路使DSP進入保護中斷。主電路上電對直流側大電容充電產生瞬時電流，上電啟動繼電器未關閉，限制電路啟動電流，繼電器吸合切除啟動電阻。電流檢測模塊檢測電機過載產生電流，設計分為對直流母線電壓與電機三相電流檢測。將檢測直流母線電壓接入控制板，電壓信號輸入由運放LM358組成光耦隔離電路，通過運放LM324后接入DSP的AD采用通道。圖1為動態變速時轉子實際速度與估算轉速波形。

圖1 動態變速時轉子實際速度與估算轉速波形

為使永磁同步電機控制系統正常運行，設計合理的硬件電路基礎上完成軟件編程。主程序對需要中斷矢量進行聲明，中斷服務程序包含控制中斷服務子程序。系統通過檢測出電機定子電流估算轉子位置，檢測轉子初始位置角，打開DSP中斷等待信號進入中斷程序。中斷服務程序完成控制系統主要功能，電機控制中斷程序利用定時器為中斷源，CPU響應中斷執行系列程序對永磁同步電機控制。動態加載時轉子實際轉速和估算轉速波形見圖2。

圖2 動態加載時轉子實際轉速和估算轉速波形

編碼器產生齒脈沖進入DSP中斷服務程序，為電機矢量控制提供數據信息。滑模觀測器由低通濾波器等組成，建立滑模觀測器軟件算法流程。經轉角補償后得到轉子角估算值。設計實驗平臺有控制板與永磁同步電機組成。對永磁同步電機矢量進行實驗，通過實驗平臺測試調整系統參數，在額定功率內穩定運行。電機電流波形接近正弦波，實驗證明控制系統設計方案可行有效。

6 結語

永磁同步電機具有功率因數高，便于控制等優點，在工業生產中得到廣泛應用。以往交流電機控制系統需要利用傳感器檢測轉子。文章設計永磁同步電機無傳感器控制系統，具有魯棒性強等優點。介紹永磁同步電機控制原理，推導電機坐標系數學模型，建立用詞同步電機矢量控制系統；對畫面變結構產生抖動問題分析，仿真驗證削弱抖振方法有效性。推導出滑模觀測器數學表達方式，引入卡爾曼濾波器設計，建立用詞同步電機矢量控制系統，仿真表明設計觀測器有效可行性。