前言

本章節(jié)采用滑膜觀測器SMO進行永磁同步電機的無感控制，首先介紹了狀態(tài)觀測器的原理，然后分析了滑膜觀測器的原理設計了傳統(tǒng)低階滑膜觀測器，并針對傳統(tǒng)滑膜觀測器存在“抖振”的問題，對建立的傳統(tǒng)滑膜觀測器進行改進，采用電控屆經(jīng)典資料AN1078的滑膜觀測器改進方案進行控制，最后通過Matlab/Simulink采用傳統(tǒng)的三段式啟動方法對該方案進行仿真分析。

一、狀態(tài)觀測器

PMSM有感控制是通過編碼器或者霍爾傳感器獲得電機的位置角與速度，PMSM無感控制是通過觀測器來估算電機的位置角與速度。狀態(tài)觀測器，即根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出來估計系統(tǒng)的狀態(tài)，如下圖所示：

建立用于描述真實電機的數(shù)學模型，理論上如果建立的數(shù)學模型足夠精確，當真實電機與電機數(shù)學模型具有相同的輸入時，其必有相同的輸出。此時我們就可以通過建立的電機數(shù)學模型來獲得我們所需要的電機狀態(tài)量。但上述系統(tǒng)會存在如下問題：

1、系統(tǒng)抗干擾能力差。電機是一個高階非線性、強耦合、多變量的復雜系統(tǒng)，一旦存在外部干擾或負載突變，此時的觀測器很難響應正確的輸入，以致輸出錯誤或者系統(tǒng)崩潰；

2、誤差的存在導致觀測器的輸出不準確。誤差的來源有系統(tǒng)誤差和測量誤差。系統(tǒng)誤差是建模不準確所帶來的誤差，我們所建立的數(shù)學模型與實際的電機不可能完全相同，會存在建模誤差；觀測器的輸入與真實輸入的誤差，觀測器的輸入是通過測量得來，會存在測量誤差。

為了解決上述問題，我們對狀態(tài)觀測器增加反饋，通過反饋來不斷的修正狀態(tài)觀測器的輸出，使狀態(tài)觀測器盡可能的接近真實電機，如下圖所示：

反饋方式與修正方式的不同產(chǎn)生了不同種類的狀態(tài)觀測器。

二、滑膜狀態(tài)觀測器

2.1.滑膜觀測器的原理

從上述分析，我們對狀態(tài)觀測器增加反饋，通過反饋來不斷的修正觀測器的輸出，使觀測器盡可能的接近真實電機，反饋方式與修正方式的不同產(chǎn)生了不同種類的觀測器。

滑膜觀測器的修正方式：滑膜觀測器的修正方式是為建立的數(shù)學模型引入了一個修正值z，通過反饋來不斷的計算修正值z，使電機數(shù)學模型無限的接近真實電機，就算外部突發(fā)干擾也能通過修正值z快速的修正狀態(tài)。如果真實系統(tǒng)是一條曲線，SMO觀測器就是圍繞這條曲線來回滑動的線條，滑膜的名字即源于這種特性。

滑膜觀測器的反饋方式：滑膜觀測器的反饋方式即修正值z的計算方式，滑膜觀測器的輸出減去真實電機的輸出，如果誤差大于0，給數(shù)學模型加上修正值z；如果誤差小于0，給數(shù)學模型減去修正值z，也即滑膜控制規(guī)律是基于符號函數(shù) sign(x)進行設計。

滑膜觀測器的整體框圖如下圖所示：

2.2.傳統(tǒng)的滑膜觀測器

三、Matlab/Simulink仿真分析

上圖為PMSM基于滑膜觀測器的無感控制整體框圖，為了后續(xù)模型生成代碼進行工程實現(xiàn)，本示例將控制算法部分單獨建模，通過調(diào)用控制算法模型進行PMSM的控制。

3.1.仿真電路分析

為了后續(xù)模型生成代碼加載到底層進行工程實現(xiàn)，本示例建立了三個不同時間的調(diào)度任務。

10ms任務：用于電機控制模式的切換，本示例采用經(jīng)典的三段式啟動方式，即轉(zhuǎn)子預定位、IF開環(huán)啟動、開環(huán)切閉環(huán)進行無感控制。

速度環(huán)控制：相較于電流環(huán)速度環(huán)對實時性要求不高，帶寬一般為電流環(huán)帶寬的1/20，本示例將速度環(huán)設置為2ms任務。

電流環(huán)控制：電流環(huán)對實時性要求高，帶寬高時間設置為FOC的執(zhí)行時間20KHz。

3.1.1 電機控制模式切換10ms任務

設置轉(zhuǎn)子預定位持續(xù)時間500ms；500ms后切換為IF開環(huán)控制；如果IF開環(huán)啟動時間大于1s且此時的速度大于900RPM，則切換到無感閉環(huán)控制。

3.1.2 速度環(huán)控制2ms任務

只有在無感閉環(huán)控制模式才用到速度環(huán)。

3.1.3 電流環(huán)控制50us任務

控制模式切換：

滑膜觀測器：

FOC電流閉環(huán)：

3.1.4 電機主電路

3.2.仿真結(jié)果分析

傳統(tǒng)滑膜觀測器反電動勢觀測值：

改進的滑膜觀測器反電動勢觀測值：

電機轉(zhuǎn)速：

0~0.5s執(zhí)行轉(zhuǎn)子預定位：

0.5s~2.76s為IF開環(huán)啟動：

2.76s~20s為無感閉環(huán)控制：

電機定子電流：

電機實際轉(zhuǎn)子位置：

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電流Id、Iq：

同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電壓：

電磁轉(zhuǎn)矩：

總結(jié)

本章節(jié)采用滑膜觀測器SMO進行了永磁同步電機的無感控制，首先介紹了狀態(tài)觀測器的原理，然后分析了滑膜觀測器的原理設計了傳統(tǒng)低階滑膜觀測器，并針對傳統(tǒng)滑膜觀測器存在“抖振”的問題，對建立的傳統(tǒng)滑膜觀測器進行改進，采用電控屆經(jīng)典資料AN1078的滑膜觀測器改進方案進行控制，最后通過Matlab/Simulink采用傳統(tǒng)的三段式啟動方法對該方案進行仿真分析。