劉鑫

摘要：電機是我們生活當(dāng)中不可或缺的一個重要部分，為了能夠更好地保證我們國家的發(fā)展，電機相關(guān)的技術(shù)和我們需要關(guān)注的電機質(zhì)量都是十分重要的。而隨著我們國家的科技技術(shù)不斷發(fā)展，基于永磁同步電機的滑模觀測成為我們現(xiàn)如今最常使用的電機之一，我們下文當(dāng)中就將詳細地探討基于永磁同步電機滑模觀測以及其控制的相關(guān)策略。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機;滑模觀測器;控制效率;控制策略

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）14-0193-02

永磁同步電機實質(zhì)上是一種通過無傳感器技術(shù)制作的電機，其具有相當(dāng)多種的優(yōu)勢，像是其花費較少的同時，維修時所需要的費用和精力也較少，另外在結(jié)構(gòu)方面，永磁同步電機也具有結(jié)構(gòu)簡單的特性。永磁同步電機的主要作用是通過無傳感器控制技術(shù)來進行內(nèi)部的轉(zhuǎn)速控制，基于PMSM凸極效應(yīng)的高頻信號注入，能夠?qū)τ来磐诫姍C當(dāng)中的轉(zhuǎn)速進行初步的控制，從而保證電量的產(chǎn)出，另外則會采用到一種電機模型的估算法，這種方法會將永磁同步電機當(dāng)中的滑模觀測器進行控制，這也是我們?nèi)缃裼来磐诫姍C當(dāng)中的一個研究重點。

我們接下來將要探討的就是，關(guān)于傳統(tǒng)的滑模觀測器和現(xiàn)如今永磁同步電機的滑模觀測器之間的區(qū)別。我們要知道的是傳統(tǒng)的滑模觀測器具有一些缺點，首先就是由于切換函數(shù)是符號函數(shù)的緣故，這種系統(tǒng)存在著高頻抖振的問題，另一方面在永磁同步電機的調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，電機的轉(zhuǎn)速需要實時的反饋到系統(tǒng)當(dāng)中，然后通過系統(tǒng)反饋給輸入端，在傳統(tǒng)的速度當(dāng)中，PI控制器能夠滿足基本的使用要求，能夠?qū)⒄{(diào)速完整的傳輸?shù)捷斎攵水?dāng)中，但是同樣的這種調(diào)速的準(zhǔn)確性比較依賴系統(tǒng)本身的模型準(zhǔn)確性，很容易因為外界的各種因素和參數(shù)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致調(diào)速的不準(zhǔn)確。而滑模觀測器則是對這種系統(tǒng)的一種改良方式，因為滑模觀測器對于模型的精確度要求不高，所以在外部干擾和外部參數(shù)出現(xiàn)的時候能夠有效地保持自身的準(zhǔn)確性。

1 滑模觀測器

1.1 二階滑模觀測器

首先，我們先要進行講解的是滑模觀測器，滑模觀測器實際上指的是一種狀態(tài)重構(gòu)器，屬于一種電機當(dāng)中的動態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)進行變量的輸入的時候，將輸入的變量進行計算，得出狀態(tài)變量估計值，然后進行電機的控制[1]。這種滑模觀測器的作用一般情況下包含以下三種，第一種是為狀態(tài)反饋技術(shù)提供了最基礎(chǔ)的設(shè)備需求，另一方面就是在控制工程當(dāng)中進行具體應(yīng)用，像是通過復(fù)制擾動來實現(xiàn)擾動的完全補償。第二個作用就是對整個電機的實際操作系統(tǒng)進行實時的控制和測量，保證實際系統(tǒng)的輸入和輸出的時候，對系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)進行一個估計，得出一個估計值。第三個作用則是進行反饋作用，將估計狀態(tài)逐漸逼近正常的輸出和測量輸出值。

在傳統(tǒng)的表貼式PMSM在坐標(biāo)軸當(dāng)中進行定子電流的模型建立，然后將其作為狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)模型，將定子電流設(shè)置為坐標(biāo)系的分量，而定子電壓同樣作為坐標(biāo)軸的分量。另外我們根據(jù)電機數(shù)學(xué)模型和滑模理論，可以通過S（x）=iS-iS，在這個公式當(dāng)中，iS是電機當(dāng)中的估計值，而iS則是電機當(dāng)中的實際電流反饋值。由于在整個過程當(dāng)中，能夠進行測量的數(shù)值只有電機當(dāng)中的定子電流，所以我們可以通過滑模面的選擇來進行其他值的控制，像是將滑模面S（x）=0選取在定子電流軌跡上，這樣就能夠控制公式當(dāng)中的電流估計值等于電流實際值。這樣一來，我們就可以通過二階計算進行公式的改變，變成：

而傳統(tǒng)的永磁同步電機的滑模觀測器則完全不同，下面的公式是永磁同步電機當(dāng)中滑模觀測器的公式：

其中C代表的是反饋系數(shù)的矩陣，而反饋系數(shù)c是一個大于0的長輸，“^”代表著整個公式當(dāng)中的觀測器估計值，sgn（·）則是整個電機當(dāng)中的開關(guān)函數(shù)，G是開關(guān)增益矩陣，gr則是整個滑模觀測器當(dāng)中的開關(guān)增益，為了更好地保證永磁同步電機準(zhǔn)確性，我們需要根據(jù)等效控制原理進行反電動勢的控制，可以將反電動勢通過狀態(tài)變量的誤差值和開關(guān)函數(shù)一同表示[2]。

低通濾波器的引入一方面會使得整個電機當(dāng)中出現(xiàn)相位延遲問題，另一方面由于相位延遲的緣故，在低通濾波器當(dāng)中會出現(xiàn)截止頻率和輸入信號的頻率不同的情況，這個時候就需要采用相位補償?shù)姆绞絹磉M行頻率的彌補，但是相位補償?shù)姆椒〞?dǎo)致整個電機的控制系統(tǒng)的運算量大大增加，從而導(dǎo)致卡頓，進一步就有可能導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的運輸數(shù)據(jù)速度變得緩慢，造成誤差的出現(xiàn)。所以為了更好地解決這一問題，我們會通過正交鎖相環(huán)處理反電動勢的觀測值誤差，同時還能夠有效的簡化鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計。

1.2 全階滑模觀測器

傳統(tǒng)的滑模觀測器和現(xiàn)如今我們所使用的滑模觀測器有一定的不同，我們所說的另一種滑模觀測器是現(xiàn)如今大規(guī)模使用的叫作全階滑模觀測器，全階滑模觀測器在實際使用當(dāng)中，其對于調(diào)速系統(tǒng)的影響和傳統(tǒng)的二階滑模觀測器對調(diào)速系統(tǒng)造成的影響是完全不同的。這種全階滑模觀測器會通過雙曲正切函數(shù)進行自身數(shù)據(jù)的調(diào)整，通過雙曲正切函數(shù)替換sgn函數(shù)的方式來進行抖振問題的解決。除此之外，邊界層的設(shè)計同樣能夠有效地控制雙曲正切函數(shù)，并且實現(xiàn)軟開關(guān)滑模觀測器的控制。而這兩者所表現(xiàn)的函數(shù)為：

邊界層的設(shè)計目的就是通過實現(xiàn)軟開關(guān)滑模觀測器來進行抖振問題的解決，邊界層的厚度就是當(dāng)中的δ，邊界層厚度的厚度越大，那么對于抖振的抑制力也就越大，但是如果邊界層的厚度過大，那么雖然能夠有效地減少抖振的影響，但是同時也會由于過厚的厚度而導(dǎo)致滑模觀測器的反應(yīng)速度變得緩慢，使得整個電機的系統(tǒng)魯棒性降低。

2 滑模觀測器的速度控制

上文中已經(jīng)詳細地說明了滑模觀測器的功用以及它的重要性，那么這里就需要開始講解滑模觀測器的控制方法。首先我們要知道滑模觀測器的設(shè)計過程需要設(shè)計哪些方面，這里我們所需要進行探討的部分就是滑模觀測器的控制系統(tǒng)組成方面，滑模觀測器的速度控制系統(tǒng)一般情況下，其所控制的各個設(shè)備進行組成，這其中可能包括各種各樣的技術(shù)和公式。就意味著如果想要讓滑模觀測器的系統(tǒng)性能提升，那么就需要對技術(shù)和公式都進行設(shè)計改良[3]。

第一個我們所選擇的方式就是對速度控制系統(tǒng)的算法進行一定的設(shè)計，我們要知道的是滑模的速度控制一般情況下是基于相平面的控制，其主要的原因是在任意出發(fā)位置都能夠通過趨近律進行控制，然后引導(dǎo)到滑模面上進行進一步的控制。但是，與此同時傳統(tǒng)的滑模觀測器會面臨抖振問題，我們可以通過雙曲正切函數(shù)進行sgn函數(shù)的替換盡可能地減少抖振問題的影響，但是同時又會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的魯棒性下降，然后我們又需要通過解決魯棒性的下降進行系統(tǒng)性能的提升，然后又會導(dǎo)致抖振問題，各個問題環(huán)環(huán)相扣。所以本文當(dāng)中將會對這些問題進行統(tǒng)一的解決，具體的方法就是通過具有擾動觀測和補償能力的抗干擾滑膜控制器進行常規(guī)PI速度的控制，從而提升系統(tǒng)性能。這同樣也是我們所選擇的技術(shù)方面的改良，我們直接通過更換滑膜控制器的方式來解決原本傳統(tǒng)的滑膜控制器所無法做到的事情，從而提升整個速度控制系統(tǒng)的性能。通過技術(shù)的更迭來增加原本傳統(tǒng)的滑模觀測器所無法做到的事情，另一方面還能夠通過技術(shù)的更迭來提升整個傳統(tǒng)的滑膜觀測器性能。

另一方面就是關(guān)于速度控制系統(tǒng)的改良，我們要知道的是速度控制系統(tǒng)當(dāng)中所包含著整個電機的動作模塊，也就是速度控制器的運行根本。速度的控制主要來源于算法，而為了能夠更好地提升整個系統(tǒng)的性能，那么對算法就需要進行一定的更新和改良。所需要進行設(shè)計的部分就是速度的控制算法，速度控制系統(tǒng)所擁有的系統(tǒng)慣量十分巨大，同時其所需要的控制精度也很高，所以速度控制算法也是一個必要的事物[4]。另外，在進行速度控制算法的設(shè)計時，需要注意的地方一般情況下是，在改良的時候，我們需要保證我們是為了能夠獲得更好的控制效果，而進行速度控制算法的改良。那么在改良速度控制算法的過程中，最為重要的就是提高算法對于系統(tǒng)的控制力，如果控制力達到要求，那么這個速度控制算法就是成功的。然后就是對控制系統(tǒng)的編程內(nèi)容，除了使用GX Developer這個編程程序來進行速度控制系統(tǒng)的算法改良之外，還可以使用一個基于Linux 的國產(chǎn)控制系統(tǒng)Jariworks，這個編程程序能夠更好地進行實時的操作反應(yīng)，并且具有很強的多任務(wù)處理能力。在進行程序的處理過程中，Jariworks相對于GX Developer而言，具有一定的優(yōu)勢，像是在資金方面，Jariworks所需要的資金較低，而GX Developer所需要的資金則較高。并且，Jariworks所擁有的各種功能能夠在進行內(nèi)核的配置選擇時，減少冗余，并且提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從而達到提升整個速度控制系統(tǒng)的目的。

3 仿真實驗

在模擬實驗當(dāng)中，我們能夠更加明顯地看出兩者之間的差距，并且能夠有效地評價傳統(tǒng)滑模控制器和本文當(dāng)中所采用的具有擾動觀測和補償能力的抗干擾滑膜控制器（Anti-disturbance Sliding Mode Controller，ASMC）。我們在仿真實驗中可以對電機的參數(shù)進行設(shè)置，然后我們對傳統(tǒng)的滑模控制器進行一次測量之后，開始逐步加入本文中所說的各種改良措施[5]。就像是我們通過使用全階滑模觀測器替換二階滑模觀測器的方式就有效地提升了永磁同步電機的滑模速度，另一方面，鎖相環(huán)的控制方法也有效地提升了整個系統(tǒng)的工作效能。

傳統(tǒng)的二階滑模觀測器在實驗當(dāng)中，電機低速和高速階段的抖振現(xiàn)象都十分明顯，但是本文當(dāng)中所使用的全階滑模觀測器則有效地將抖振現(xiàn)象進行了控制，甚至有的時候抖振現(xiàn)象已經(jīng)降到無法觀測的程度。這樣一來，不僅僅有效地提升了觀測器的觀測精度，另一方面還使得觀測器能夠更好地追蹤電機當(dāng)中的轉(zhuǎn)子位置。為了進一步地確保我們所提出的建議能提升電機的工作效率和系統(tǒng)效率，我們將會通過控制實驗平臺進行實驗研究，確保最終的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時，二次檢查本次所提出的建議的作用大小。

4 結(jié)束語

隨著我們所生活的時代不斷的進步，我們對生活的水平需求也越來越高，也正是因為如此，我們現(xiàn)如今所使用的電梯以及自動扶梯這樣的電子產(chǎn)品中，所使用的電機就是永磁同步電機。而永磁同步電機一直都以其先進以及創(chuàng)新而聞名，所以永磁同步電機也向衛(wèi)星和國防系統(tǒng)中提供電機。上文當(dāng)中，就是我們關(guān)于基于永磁同步電機滑模觀測與控制的策略研究。

參考文獻：

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[3] 張利深，貴獻國，嚴(yán)亮.基于滑模觀測器的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制研究[J].微特電機，2019，47（7）：61-64.

[4] 柯希彪，郭琳，袁訓(xùn)鋒，等.基于模糊控制的永磁同步電機滑模觀測器控制[J].自動化與儀表，2020，35（5）：34-39.

[5] 吳定會，楊德亮，陳錦寶.基于滑模觀測器的永磁同步電機矢量控制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2018，30（11）：4256-4267.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】