新工科背景下 “運動控制系統(tǒng)” 實驗研究

黃文濤，樊啟高，朱一昕，畢愷韜

（江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院 江蘇 無錫 214122）

近年來，教育部大力推進新工科建設，新工科教育成為我國建設教育強國的必由之路、戰(zhàn)略支撐和引領(lǐng)力量。在 “復旦共識” “天大行動” “北京指南” 三部曲和教育部 “新工科改革研究項目” 立項的政策推動下，我國工科人才培養(yǎng)正式邁入新一輪轉(zhuǎn)型升級和質(zhì)量提升階段[1]。

“運動控制系統(tǒng)” 是電氣工程及其自動化等專業(yè)的核心課程，其主要研究對象是電機驅(qū)動系統(tǒng)，主要內(nèi)容涉及電氣工程專業(yè)的幾乎所有主干課程，如 “數(shù)字電路” “電機與拖動基礎” “電力電子技術(shù)” 和 “自動控制原理” 等[2]。隨著風力發(fā)電、軌道交通、電動汽車等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，社會對電氣工程及其自動化專業(yè)的本科畢業(yè)生需求日益增大，同時對畢業(yè)生的專業(yè)水平和技能要求也越來越高，這也使得高校對于電機類課程教學的重視程度不斷提高。在新工科建設背景下，有必要對 “運動控制系統(tǒng)” 教學和實驗展開深入研究，以培養(yǎng)高素質(zhì)的電氣專業(yè)人才[3]。

長期以來， “運動控制系統(tǒng)” 課程以課堂教學為主，教師通過電子課件講解交直流電機控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和設計方法，同時根據(jù)教學內(nèi)容開設教學實驗[4]。在這種教學模式下，學生以被動學習為主，難以熟練掌握各類電機控制方法，而且實驗環(huán)節(jié)缺少探索性驗證和創(chuàng)新性實踐，難以滿足新工科教育對于培養(yǎng)高質(zhì)量電氣人才的需求[5]。此外，把教學與科研結(jié)合，特別是把學科領(lǐng)域的前沿技術(shù)融入教學和實驗中，使學生在掌握基本理論知識的同時了解學科動態(tài)和實際應用，這是當前電氣工程專業(yè)的發(fā)展趨勢和必然需求。

為提升 “運動控制系統(tǒng)” 課程實驗教學理論性與實踐創(chuàng)新性，本文基于 “運動控制” 中的磁場定向控制策略，以三相永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）無位置傳感器控制技術(shù)為例，利用I/F方法和滑模觀測器（Sliding Mode Observer,SMO），提出一種適用于全速域運行的無位置傳感器算法[6]。在零速和低速條件下，該控制方法利用I/F方法實現(xiàn)電機運行；在中高速條件下，其通過SMO觀測電機的擴展反動勢，進而利用正交鎖相環(huán)估計位置信息。為保證平穩(wěn)運行，上述控制方法設計了平滑切換準則，以實現(xiàn)不同算法間的平滑切換。為驗證理論分析并鍛煉學生的實踐能力，本研究構(gòu)建了控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真，并基于Rtuint實時數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)建實驗平臺開展實驗工作。

本研究面向當前新工科發(fā)展需求，采取理論教學、仿真分析、模塊化編程和實驗驗證的技術(shù)路線，如圖1所示。在理論層面，將 “數(shù)字電路” “自動控制原理” “電力電子技術(shù)” “電機與拖動基礎” “微型計算機原理” 與 “運動控制” 緊密結(jié)合，在實際應用層面，采用先進的數(shù)字控制器開展探索性實驗教學。該種實驗教學模式不僅有利于加深學生對于理論知識的理解，還可以培養(yǎng)學生分析和解決復雜工程問題的能力，同時能提升課程的前沿性和挑戰(zhàn)度。

1 理論知識

本研究中的全速域運行的無位置傳感器算法在理論知識方面主要包括三方面內(nèi)容：I/F技術(shù)、SMO技術(shù)和平滑切換設計。I/F技術(shù)用于PMSM啟動和低速運行階段，SMO技術(shù)用于正常運行階段，二者之間的過渡通過設計平滑切換函數(shù)實現(xiàn)。上述三方面內(nèi)容建立在 “自動控制原理” “電力電子技術(shù)” “電機與拖動基礎” 和 “運動控制系統(tǒng)” 等課程知識體系之上，既有傳承又有拓展，同時也融入了探索性研究。該部分內(nèi)容可以在課前由教師準備好預習課件，通過教學平臺發(fā)布給學生，學生利用課前時間做好預習工作，為實驗的進行奠定基礎。

1.1 I/F技術(shù)

I/F工作原理是根據(jù)PMSM負載的轉(zhuǎn)矩―轉(zhuǎn)速特性曲線，設置電流/頻率比，使電機在不同轉(zhuǎn)速下的電磁轉(zhuǎn)矩均能與負載轉(zhuǎn)矩匹配，從而以較高的效率運行，此過程中不需要轉(zhuǎn)速外環(huán)參與，因此它是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)的控制方法。該方法直接控制電流給定，在無位置傳感器控制策略中常用于電機啟動。

采用I/F控制時，若電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，轉(zhuǎn)子在固定的電流矢量作用下以固定頻率保持同步旋轉(zhuǎn)，電機處于平衡狀態(tài)；若負載轉(zhuǎn)矩突然發(fā)生改變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨之變化，但由于PMSM本身所具有的 “轉(zhuǎn)矩―功角自平衡” 特性，轉(zhuǎn)速的改變將減小電機實際轉(zhuǎn)子位置角和虛擬位置角之間的差值，從而使電磁轉(zhuǎn)矩向負載轉(zhuǎn)矩靠近，進而達到新的平衡狀態(tài)。

1.2 滑模觀測器技術(shù)

基于SMO的轉(zhuǎn)子位置估計原理，從本質(zhì)上而言，是根據(jù)兩相靜止坐標系下的電機定子電流狀態(tài)方程，對系統(tǒng)狀態(tài)進行重構(gòu)，利用系統(tǒng)中可直接測得的電壓電流變量，把觀測的反電動勢作為反饋量，經(jīng)過計算，快速修正電流估計，使反電動勢觀測值接近真實值，從而得到估計的轉(zhuǎn)子位置信息[7]。以表貼式PMSM在 坐標系下的電壓方程為模型，其中反電動勢表達式為

若電機參數(shù)不發(fā)生改變，則PMSM的反電動勢幅值大小僅與電機當前的轉(zhuǎn)速有關(guān)。同時，式（1）中還包含了電機轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速e和位置角e，因此只要能準確估計反電動勢，便能獲得電機的當前位置。將上式改寫成電流狀態(tài)方程的形式，并結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，以定子電流估計誤差作為滑模面S，進而構(gòu)建滑模觀測器：

式中，u、u、i和i分別為定子電壓矢量和定子電流矢量的 分量，Ls定子電感，Rs為定子電阻，p為微分算子，為電流估計誤差，軸電流的估計值，軸反電動勢的估計值，k為滑模增益系數(shù)。

SMO的核心思想是將電流估計誤差作為系統(tǒng)的干擾量，在合適的滑模增益系數(shù)k下，通過切換函數(shù)不斷產(chǎn)生調(diào)節(jié)量，使得滑模面快速向零收斂，其觀測性能僅與滑模增益系數(shù)的大小有關(guān)，因此具有較強的魯棒性。由于符號函數(shù)的引入，估計的反電動勢中存在著大量的非線性開關(guān)信號，會導致估算的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)高頻抖振現(xiàn)象，這不利于系統(tǒng)平穩(wěn)運行，通常的解決方法是在估計反電動勢后接入一階濾波器進行平滑處理。通過SMO得到估計反電動勢并使用一階濾波器，便能根據(jù)式（2）直接求得電角速度和電角度，其表達式如下：

根據(jù)PMSM數(shù)學模型可以得到如下式所示的鎖相環(huán)基本模型：

1.3 平滑切換設計

電機啟動后，通過I/F方式將轉(zhuǎn)速提高，反電動勢信噪比隨之上升，當SMO估計轉(zhuǎn)速誤差和位置角估計精度等滿足系統(tǒng)運行的一定條件時，可實現(xiàn)速度平滑切換。該過程目前缺少統(tǒng)一的指導，為開放環(huán)節(jié)，可供學生們探索研究，引導他們自主學習探索。圖2為基于I/F和SMO的全速域PMSM無位置傳感器控制結(jié)構(gòu)。

2 仿真驗證

為驗證上述方法有效性，本研究設置了仿真驗證環(huán)節(jié)，利用MATLAB/Simulink軟件搭建控制系統(tǒng)仿真模型。通過仿真可以鍛煉學生使用專業(yè)軟件的能力，加深他們對于理論知識的理解，培養(yǎng)他們解決工程問題的思路。學生可在課前根據(jù)預習課件構(gòu)建仿真，進行初步探索，為實驗順利進行做好準備。

圖3為估計轉(zhuǎn)速及其誤差仿真波形。系統(tǒng)在開環(huán)運行階段時，轉(zhuǎn)速誤差波動較大，而切進閉環(huán)階段后，這類現(xiàn)象得到了極大改善。通過橫軸縱向比對可知，開、閉環(huán)的切換過渡并不是轉(zhuǎn)速達到某一轉(zhuǎn)速后立即進行的，而是在繼續(xù)升速的過程中，判斷是否達到切換條件而平穩(wěn)過渡到下個階段。仿真波形表明，所提方法可實現(xiàn)PMSM全速域無位置傳感器運行。

3 實驗驗證

在實驗驗證環(huán)節(jié)，本研究基于Rtunit實時數(shù)字控制系統(tǒng)搭建了PMSM實驗平臺，如圖4所示。Runit控制系統(tǒng)是專門為快速控制原型應用研發(fā)的產(chǎn)品，提供了一種在真實硬件上無需手動編程就可以非常有效且快速開發(fā)、優(yōu)化和測試復雜控制算法的方法。該系統(tǒng)可以將基于Simulink的算法模型直接生成代碼并下載到硬件上，然后與實物硬件構(gòu)成閉環(huán)，完成控制代碼的實時運行和快速驗證。實驗過程中，利用配套的Rtunit Studio軟件可實時讀取數(shù)據(jù)、參數(shù)修改和狀態(tài)監(jiān)測。Rtunit控制系統(tǒng)的快速性、實時性和便捷性壓縮了實驗周期且避免了復雜的編程，特別適合本科生進行探索性實驗。學生們可以利用該平臺驗證理論知識和仿真結(jié)果，學習先進的實時數(shù)字控制系統(tǒng)，增強動手能力和創(chuàng)新意識。圖5為動態(tài)調(diào)速實驗結(jié)果。在初始時電機處于輕載并以額定轉(zhuǎn)速（3000rpm）反向運行，經(jīng)3次調(diào)速后最終以額定轉(zhuǎn)速正向穩(wěn)定運行。盡管在[-200rpm,200rpm]范圍內(nèi)，電機估計轉(zhuǎn)速存在波動，但其能迅速恢復至正常值，保證電機平穩(wěn)運行。當電機處于穩(wěn)態(tài)運行階段，平均估計轉(zhuǎn)速波動為3.57rpm，平均轉(zhuǎn)子位置角估計誤差為0.15rad。實驗結(jié)果表明，所提SMO算法能較好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置與速度估計。實驗波形表明，所提方法可有效實現(xiàn)PMSM全速域無位置傳感器控制，同時也驗證了本研究所提出技術(shù)路線的可行性，為 “運動控制系統(tǒng)” 課程實驗提供了創(chuàng)新和探索的新路徑。

4 結(jié)語

本文面向教育部提出的新工科建設提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的需求，圍繞 “運動控制系統(tǒng)” 課程中的電機控制問題，結(jié)合當前電機控制技術(shù)發(fā)展前沿，以三相PMSM為對象，設計了一種適用于全速域范圍運行的無位置傳感器控制策略，搭建了Simulink仿真模型并構(gòu)建了Rtunit實時數(shù)字測試平臺。該平臺解決了傳統(tǒng)實驗模式固定、創(chuàng)新性欠缺，以及純實物探究性實驗難度大、覆蓋范圍窄等問題，能夠滿足本科階段的實驗教學和研究生階段的科研工作需求。本實驗研究可望改善教學質(zhì)量，提高學生的理論創(chuàng)新意識，鍛煉學生的工程實踐能力，提升課程教學的先進性和創(chuàng)造性，促進高質(zhì)量新工科人才培養(yǎng)。