基于滑模观测器的高速磁浮无传感器控制

熊飞

摘要    本文对滑膜观测器模型的构建方式进行分析，并阐述了观测器的计算方法，旨在对PMSM转子滑膜观测器的抖振进行有效抑制。最后，通过仿真分析的方式，对电机转子的位置与转速进行估计和验证。

【关键词】滑膜观测器 告诉磁浮 传感器

以往传统的永磁同步电机需要安装传感器才可检测到磁极的位置，这样不但使电机的转动惯量与体积增加，同时还提高了电机成本。目前，无传感器控制技术逐渐成熟，与滑膜观测器有机结合，具有良好的鲁棒性，与其他方式相比来看，能够使系统稳定性得到显著提升，为工程的实现提供更大助力。

1 滑膜观测器模型构建

滑膜观测器属于一种新型无传感器控制方式，在电机结构基础上，建立PMSM数学模式，从中获取电流预计值与实际值间的偏差，利用偏差对系统模型反复的修正，直至误差全部消失，以此计算出转子的转角与转速。利用此观测器能够在α-β参考坐标系下的反电势进行估算，进而得出转子与转角的大小。通过直接检测的方式只可获得定子电流的大小，滑膜面s（x）的数值为0，在定子实际电流基础上，即s（x）的数值为与is之差时，此时估计电流与滑膜面相接触后，滑膜的形态将发生改变，估计值与实际值之间的差值为0。其中，滑膜观测器模型的表达式为：

公式

式中，z的计算方式为Ksign（-is）;“^”代表的是估计值;“*”代表的是指令值;

反电势估计值主要是指在饱和函数的运算下，通过数据输出得出z的数值，然后经过低通滤波器的过滤，从中得到转子的位置与角度。此时，滤波器将会在反电势的作用下出现相位滞后等情况，滞后率与滤波器的截止频率有所关联，当截止频率的数值越小时，滞后率便越大。在滤波器相频相应的基础上，构建相位补偿表，采用已知速度對相位补偿表的索引进行计算，并由此获得相位补偿角的数值，再将其与转子角度相加，即可得出转子磁通的估计角度。

2 滑膜观测算法的实现

滑膜观测估算主要是在DSP的基础上，由霍尔电流传感器对a相、b相电流进行采集，在A/D转换后获得相电流数值，再经过CLARK变化后将原本的三相静止坐标改为两相坐标系，进而将其转变为直流量，将二者的输出数值进行对比参考，在PI调节的基础上，获得最终控制量，经过PARK变化后，得出输入逆变器矢量，以此来计算基本时间控制器，对该设备的开启与关闭状态进行控制，电流环的采样频率设置为16kHz;在滑膜观测计算时采用Matlab模糊控制工具箱，对Lyapouv函数算法进行分析，模糊推理规则如下：

Rule1：If E is PB and PE is PB Then Ksw is PH;

Rule2：If E is PB and PE is ZR Then Ksw is PB;

Rule3：If E is ZR and PE is PB Then Ksw is PS;

Rule4：If E is ZR and PE is PB Then Ksw is NS;

Rule5：If E is NB and PE is PB Then Ksw is NH;

从上述推理规则中能够看出模糊输出、输入之间的关系，当输出Ksw与输入is之间的关系较为接近时，也就是与饱和函数之间的分段线性较为接近时，但饱和函数由于输入is而不同时，如若is的数值不断增加，则ksw也将随之增加;如若is的数值不断减小，则ksw的数值也随之减小。这种对增长趋势进行有效控制的方式，能够有效抑制抖振，与饱和函数相比效果更加理想，系统的动态性能也可随之提升，使系统的稳态误差得到有效缩减。为了进一步对PMSM转子的位置进行观测，使观测器的抖振得到更有效的一致，本文根据高速电机转速对模糊控制中的厚度、输出增益Ksw数值进行调整，使其能够与观测器的静态性能相符合，即数值为1.1-1.3时，Ksw更加符合滑膜观测器的稳定条件。

3 仿真分析

本文利用MATLAB6.5对系统进行仿真分析，仿真实验依据上述构建的滑膜观测器模型。在仿真过程中，不考虑系统扰动、惯性等因素对实验结果产生的干扰，假设在理想状态下进行的实验。由于使用的电机模型自身具有位置编码器，能够通过编码器信号获取到电机此时转子的真实角度。通过将系统中转子角度波形与估算结果进行对比分析可知，在实际运行过程中，能够较为精准的确定出实际角度，而估算角度与实际数值相比具有些许滞后性，这主要是由于系统的惯性特征影响。

为了对滑膜观测器的实效性、系统稳定性进行深入检测，可将整个仿真实验阶段划分为两个部分，一部分为变负载，另一部分为变速度。在系统运行过程中，变速度仿真参数在0.05s时逐渐由原本的500r/min转变为800r/min，当其运行到第0.1s时，由将仿真参数的负载量从0.5N转变成2N·m;当其从0运行到0.5s时，负载量为0.5N·m，已知的转速为500r/min。从实验结果可知，在电机刚刚启动之时，电机转矩在较短的时间内提高到了6N·m，与此同时，相电流也开始以较大的幅度提升。当电机转速逐渐上升到给定的数值后，电机的转矩逐渐从上升转变到下降状态，降至0.5N·m不变，与负载数值保持均衡;

在0.05s至0.1s之间，负载保持0.5N·m的数值不变，转速发生较大改变，达到800r/min。由于转速在较短的时间内突然提升，此时电机中相电流与转矩的相差较大，在短暂的调整就，电机转速同样提高到了800r/min，此时电机运行较为稳定，相电流与转矩也逐渐恢复到初始速度。但是，相电流的变化幅度与500r/min时相比仍然较大。在0.1s以后，电机的负载量逐渐变化为2N·m。从结果图的波形来看，在负载变化中电机的转速波动数值较小，且在较短的时间内便可达到稳定状态，其响应取消为一条直线，这充分说明电动机中负载突变的干扰力与速度调节能力均较强。当负载数值突然增加时，电机的转矩与相电流均能在较短的时间内适应负载的改变随之增加，确保电机能够始终处于稳定的运行状态。

4 结论

综上所述，通过仿真结果能够看出，传统滑膜观测器中抖振现象较为严重，通过构建滑膜观测器模型能够有效抑制抖振问题，并对电机转子的位置与转速进行估计和验证，这对于提高电机使用效率、延长使用寿命来说意义重大。

参考文献

[1]高伟光.基于滑模观测器的高速永磁同步电机无传感器技术研究[D].哈尔滨工业大学，2015.

[2]韩俊林.基于滑模观测器的内永磁同步电机无位置传感器控制[D].东南大学，2016.