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  • 頭條一種改進(jìn)型滑模觀測(cè)器,可抑制抖振,改善電機(jī)性能
    2020-12-17 作者:王愷成 楊明發(fā)  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員王愷成、楊明發(fā),在2019年第10期《電氣技術(shù)》雜志上撰文(論文標(biāo)題為“基于改進(jìn)型滑模觀測(cè)器的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制”),針對(duì)傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器在永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制過程中出現(xiàn)的抖振問題,本文提出一種改進(jìn)型滑模觀測(cè)器。 通過采用飽和函數(shù)、反電勢(shì)卡爾曼濾波器來減弱抖振,引入優(yōu)化的鎖相環(huán)來提取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信息,提高估計(jì)精度;最后建立基于Matlab/Simulink的仿真系統(tǒng)模型來驗(yàn)證該方法。 仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的滑模觀測(cè)器保證了系統(tǒng)的魯棒性,一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)抖振的抑制,改善了電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能與估算精度。

    永磁同步電動(dòng)機(jī)(permanent magnet synchronous motor, PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力矩慣量大和可靠性高等優(yōu)良特性。因此,研發(fā)高效的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有重要的實(shí)用價(jià)值。為構(gòu)建高性能的控制系統(tǒng),一般需安裝霍爾傳感器等機(jī)械傳感器來獲取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,但價(jià)格昂貴及增大電動(dòng)機(jī)體積等缺點(diǎn)限制了機(jī)械傳感器的實(shí)際應(yīng)用。因此,近些年來,基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的無傳感器控制技術(shù)已成為研究的熱點(diǎn)。

    當(dāng)前,永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)對(duì)于轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速的觀測(cè)主要被分為適用于低速和中高速的兩類方法。利用電動(dòng)機(jī)凸極特性,外加特定頻率的激勵(lì)來估算轉(zhuǎn)子位置信息的方法,如高頻信號(hào)注入法、低頻注入法等,被提出并應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制中,在低速甚至零速都取得了良好的結(jié)果。但在運(yùn)行過程中需要持續(xù)的激勵(lì),降低了逆變器的電壓利用率,運(yùn)算量大,且動(dòng)態(tài)性能不是十分理想。

    中、高速區(qū)無速度傳感器控制方法大多依賴于電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型,通過反電動(dòng)勢(shì)獲取位置信息。早期多采用的是開環(huán)算法,如直接計(jì)算法及反電動(dòng)勢(shì)積分法等。開環(huán)算法工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,當(dāng)電動(dòng)機(jī)模型準(zhǔn)確時(shí),觀測(cè)精度高,但極易受參數(shù)變化影響,算法不穩(wěn)定。

    隨著控制理論的不斷發(fā)展,基于各種觀測(cè)器的閉環(huán)算法得到了廣泛的應(yīng)用,如擴(kuò)展卡爾曼濾波器法、模型參考自適應(yīng)算法及滑模觀測(cè)器法等,使轉(zhuǎn)速觀測(cè)精度和系統(tǒng)魯棒性有了很大改善。擴(kuò)展卡爾曼濾波器法算法比較復(fù)雜,計(jì)算量大,參數(shù)分析困難。模型參考自適應(yīng)算法雖采用閉環(huán)控制,但觀測(cè)器精度依賴于參考模型的準(zhǔn)確性。而滑模觀測(cè)器法受系統(tǒng)參數(shù)變化及外界擾動(dòng)的影響較小,具有較強(qiáng)魯棒性,且結(jié)構(gòu)算法簡(jiǎn)單,工程實(shí)現(xiàn)容易,具有廣闊的應(yīng)用前景。

    本文設(shè)計(jì)的滑模觀測(cè)器,用飽和函數(shù)代替開關(guān)函數(shù)并引入反電勢(shì)卡爾曼濾波器來減弱滑模控制中固有的抖振,采用設(shè)計(jì)優(yōu)化的鎖相環(huán)來提高轉(zhuǎn)速提取精度,并搭建了永磁同步電動(dòng)機(jī)仿真模型來驗(yàn)證該方法的有效性。

    學(xué)術(shù)簡(jiǎn)報(bào)︱一種改進(jìn)型滑模觀測(cè)器,可抑制抖振,改善電機(jī)性能

    圖4 永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器矢量控制框圖

    結(jié)論

    本文基于Matlab/Simulink搭建了永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器矢量控制系統(tǒng),并提出用一種改進(jìn)的滑模觀測(cè)器來估算轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角信息;通過用飽和函數(shù)替代開關(guān)符號(hào)函數(shù)及增加反電勢(shì)卡爾曼濾波器來減弱抖振;為避免正切函數(shù)和微分環(huán)節(jié)的使用,引入優(yōu)化的鎖相環(huán)來提取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與位置信息。

    該方法可減少計(jì)算量,提高測(cè)量精度,節(jié)約系統(tǒng)資源,改善工程適用性。仿真結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的改進(jìn)滑模觀測(cè)器估算精度高,控制準(zhǔn)確性高,動(dòng)態(tài)性能良好,對(duì)外加擾動(dòng)不敏感,體現(xiàn)出良好的魯棒性,驗(yàn)證了該方法的有效性。

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