基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制研究（永磁同步电机滑模观测器）

前言

本章使用滑膜观测器SMO进行永磁同步电机的无感控制。首先介绍了状态观测器的原理，然后分析了滑膜观测器的原理，设计了传统的低阶滑膜观测器。膜观察器存在“弹跳”问题。对传统的滑膜观察器进行了改进。采用电控领域经典文献AN1078的滑膜观察器改进方案进行控制。最后通过Matlab/Simulink采用传统的三级滑膜观察器。启动方法对解决方案进行了仿真分析。

1. 状态观察者

PMSM感应控制通过编码器或霍尔传感器获得电机的位置角和速度，而PMSM感应控制通过观测器估计电机的位置角和速度。状态观测器根据系统的输入和输出来估计系统的状态，如下图所示：

建立数学模型来描述真实的电机。理论上，如果数学模型足够精确，当真实电机和电机数学模型有相同的输入时，它们一定有相同的输出。这时，我们可以通过建立的电机数学模型得到我们需要的电机状态量。但上述系统会存在以下问题：

1、系统抗干扰能力差。电机是一个高阶非线性、强耦合、多变量的复杂系统。一旦出现外部干扰或负载突变，观察者就很难对正确的输入做出响应，导致输出错误或系统崩溃；

2、误差的存在导致观测器输出不准确。误差来源包括系统误差和测量误差。系统错误是由于建模不准确而导致的错误。我们建立的数学模型不可能与实际电机完全相同，会存在建模误差；观察者的输入与真实输入之间的误差，观察者的输入是由Measured决定的，会存在测量误差。

为了解决上述问题，我们在状态观测器中加入反馈，通过反馈不断修正状态观测器的输出，使状态观测器尽可能接近真实电机，如下图所示：

不同的反馈方法和校正方法产生不同类型的状态观测器。

2.滑膜状态观察者

2.1.滑膜观察仪原理

从上面的分析来看，我们在状态观测器中加入反馈，通过反馈不断修正观测器的输出，使观测器尽可能接近真实的电机。不同的反馈方法和校正方法产生不同类型的观察者。

滑膜观测器的校正方法：滑膜观测器的校正方法是在建立的数学模型中引入一个校正值z，通过反馈不断计算校正值z，使电机数学模型无限接近真实电机，即使外界突然干扰也可以通过校正值z快速校正。如果一个真实的系统是一条曲线，那么SMO观察者就是一条绕着这条曲线来回滑动的线。滑膜这个名字就是源于这个特性。

滑膜观察器的反馈方法：滑膜观察器的反馈方法是校正值z的计算方法。滑膜观察器的输出减去真实电机的输出。如果误差大于0，则在数学模型中加入修正值z；如果误差小于0，则从数学模型中减去校正值z，即根据符号函数sign(x)设计滑膜控制律。

滑膜观察器的整体框图如下图所示：

2.2.传统滑膜镜

3.Matlab/Simulink仿真分析

上图是基于滑膜观测器的PMSM无感控制的总体框图。为了生成后续的模型代码供工程实现，本例对控制算法部分进行单独建模，通过调用控制算法模型来控制PMSM。

3.1.仿真电路分析

为了将后续的模型生成代码加载到底层进行工程实现，本示例在不同时间建立了三个调度任务。

10ms任务：用于切换电机控制模式。本例采用经典的三级启动方式，即转子预定位、中频开环启动、开环和闭环无感控制。

速度环控制：与实时性要求不高的电流环速度环相比，带宽一般为电流环带宽的1/20。在此示例中，速度环设置为2ms 任务。

电流环控制：电流环实时性要求较高，高带宽时间设置为20KHz的FOC执行时间。

3.1.1 电机控制模式切换10ms任务

设置转子预定位持续时间为500ms； 500ms后切换至中频开环控制；如果中频开环启动时间大于1s且此时转速大于900RPM，则切换为无感闭环控制。

3.1.2 速度环控制2ms任务

速度环仅用于无感闭环控制方式。

3.1.3 电流环控制50us任务

控制模式切换：

滑膜范围：

FOC电流闭环：

3.1.4 电机主电路

3.2.仿真结果分析

传统滑膜观测器的反电动势观测值：

改进的滑膜观测器反电动势观测值：

电机转速：

0~0.5s执行转子预定位：

0.5s~2.76s为中频开环启动：

2.76s~20s为无感闭环控制：

电机定子电流：

实际电机转子位置：

同步旋转坐标系下定子电流Id、Iq：

同步旋转坐标系中的定子电压：

电磁扭矩：

总结

本章利用滑膜观测器SMO对永磁同步电机进行无感控制。首先介绍了状态观测器的原理，然后分析了滑膜观测器的原理，设计了传统的低阶滑膜观测器。滑膜观察者存在“缓冲”问题。对传统的滑膜观察器进行了改进。采用经典电控材料AN1078的滑膜观察器改进方案进行控制。最后通过Matlab/Simulink使用传统的三级滑膜观察器。采用公式启动法对该解法进行了仿真分析。