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永磁同步電機(jī)因功率密度高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域，在其控制算法中，PI控制因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法易實(shí)現(xiàn)而占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，永磁同步電機(jī)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，并且在其運(yùn)行過程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)變化，傳統(tǒng)的PI控制技術(shù)已無(wú)法滿足工業(yè)自動(dòng)化對(duì)時(shí)變轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)跟蹤性和魯棒性的要求。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)中，實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋大多通過對(duì)位置傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角度進(jìn)行微分來間接獲取。

該方法存在三大弊端：①使用位置傳感器增大了電機(jī)體積，提高了成本；②復(fù)雜環(huán)境下位置傳感器易出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可靠性降低；③位置傳感器檢測(cè)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角度存在量化誤差，使得對(duì)其微分得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋存在測(cè)量噪聲，影響閉環(huán)系統(tǒng)的跟蹤性能。因此，需摒棄位置傳感器的使用，增強(qiáng)閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋的準(zhǔn)確性。

為實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)高性能控制，其控制系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)均需對(duì)其相應(yīng)指令實(shí)時(shí)跟蹤，并且對(duì)外部干擾具備較強(qiáng)的魯棒性。由于電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)跟蹤性能只與電機(jī)內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，與外部負(fù)載擾動(dòng)無(wú)關(guān)，往往需通過精確數(shù)學(xué)模型計(jì)算輸出電壓給定即可達(dá)到良好的電流跟蹤效果，因此實(shí)際工程應(yīng)用中，電流環(huán)參數(shù)一旦確定，則適用于各種工況場(chǎng)合，參數(shù)無(wú)需二次調(diào)整。

而對(duì)于轉(zhuǎn)速外環(huán)系統(tǒng)，會(huì)受到時(shí)變轉(zhuǎn)速給定和時(shí)變負(fù)載等不確定性外部擾動(dòng)，要達(dá)到轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)跟蹤目的較為困難，其控制方法主要包括PI控制、滑模控制、內(nèi)模控制、自抗擾控制以及二自由度控制等。實(shí)際永磁同步電機(jī)高性能調(diào)速系統(tǒng)中，控制策略仍然以PI控制為主。對(duì)于PI控制，其參數(shù)整定對(duì)于系統(tǒng)跟蹤性能和抗擾性能至關(guān)重要。

江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院、江蘇舾普泰克自動(dòng)化科技有限公司的研究人員，針對(duì)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制下轉(zhuǎn)速跟蹤性能差的問題，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合PI控制器應(yīng)用于表貼式永磁同步電機(jī)（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM）轉(zhuǎn)速環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)PI控制的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)速環(huán)采用積分鉗位型抗積分飽和方法，增加給定輸入微分前饋環(huán)節(jié)和控制增益環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化PI參數(shù)整定過程，增強(qiáng)轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)跟蹤響應(yīng)性能。在此基礎(chǔ)上，分析無(wú)阻尼自然頻率和阻尼比兩者參數(shù)選取對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)和角速度測(cè)量噪聲抑制能力的影響，證明系統(tǒng)抗轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)性能與抑制噪聲性能之間存在矛盾，需摒棄位置傳感器。當(dāng)前無(wú)位置傳感器控制大多首先通過滑模觀測(cè)器觀測(cè)到電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)其反正切處理以間接獲得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

該方法通過兩相反電動(dòng)勢(shì)間接計(jì)算轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速，同樣避免不了反饋噪聲的影響。針對(duì)該問題，研究人員設(shè)計(jì)以電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度為直接狀態(tài)變量的新型滑模觀測(cè)器，對(duì)角速度值進(jìn)行觀測(cè)，將其直接引入至轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)系統(tǒng)作為反饋，避免角速度反饋噪聲對(duì)轉(zhuǎn)速跟蹤性能造成影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員以750W表貼式永磁同步電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)復(fù)合PI無(wú)位置傳感器控制策略下的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行分析研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了時(shí)變輸入下復(fù)合PI控制相對(duì)于傳統(tǒng)PI控制優(yōu)良的跟蹤性能，新型控制策略對(duì)于轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)和轉(zhuǎn)速擾動(dòng)有著較強(qiáng)的魯棒性。另外，考慮到該控制策略目前只能應(yīng)用于表貼式永磁同步電機(jī)，下一步將重點(diǎn)研究控制策略的普及化以及工程化問題，以期實(shí)現(xiàn)其實(shí)際工程應(yīng)用。

以上研究成果發(fā)表在2020年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“表貼式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)復(fù)合PI無(wú)位置傳感器控制”，作者為李垣江、董鑫、魏海峰、張懿、李可禮。