基于降階負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)控制

許彥卿

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)永磁同步電機(jī)的研究也越來越深入，它不僅能夠精確的應(yīng)用于特種機(jī)器人的操作系統(tǒng)中，還能夠運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床的操作中，是一項(xiàng)十分重要的科學(xué)技術(shù)發(fā)明。針對(duì)永磁同步電機(jī)的工作原理、主要方式、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和關(guān)于永磁同步電機(jī)防止干擾的觀測(cè)器的應(yīng)用等內(nèi)容，具體闡述了如何控制基于降價(jià)負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)。

關(guān)鍵詞：降價(jià)運(yùn)載；擾動(dòng)觀測(cè)器；永磁同步電機(jī)；勵(lì)磁電流

中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.065

從我國目前的情況看，雖然永磁同步電機(jī)能夠應(yīng)用于很多的專業(yè)領(lǐng)域，但是，不得不承認(rèn)的是，在具體應(yīng)用方面，它仍然會(huì)受到干擾，從而降低其工作效率。所以，如何合理、有效地控制永磁同步電機(jī)，使其不再受到干擾成為了我國科學(xué)家和相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)率先思考的問題。

1 永磁同步電機(jī)的介紹

要想對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行干擾控制，使其能夠更好地為人們服務(wù)，就要先了解它。下面，筆者從永磁同步電機(jī)的定義出發(fā)，分析了一些關(guān)于永磁同步電機(jī)的工作原理以及它的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

1.1 永磁同步電機(jī)的定義

所謂“永磁同步電機(jī)”，是指同步發(fā)電機(jī)利用一個(gè)由勵(lì)磁電流而產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的一種電力發(fā)動(dòng)機(jī)。這里的勵(lì)磁電流說的就是類似于擁有南北極電磁鐵的一個(gè)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的直流電壓。簡單地說，永磁同步電機(jī)就是一個(gè)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的電力發(fā)電機(jī)，只是運(yùn)用原理與普通的發(fā)電機(jī)有所不同。另外，當(dāng)永磁同步電機(jī)執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，會(huì)有一個(gè)專用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)整發(fā)電機(jī)的端電壓，以此保證永磁同步電機(jī)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，大家還應(yīng)該了解的一點(diǎn)就是多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行的情況。一般來講，不管是多少臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)裝置都會(huì)合理、有效的分配電流。這樣一來，就大大保證了永磁同步電機(jī)電力系統(tǒng)的長期有效運(yùn)行，既穩(wěn)定，效率又高。

1.2 勵(lì)磁電流的工作原理

一般來講，永磁同步電機(jī)就是利用勵(lì)磁電流進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。這里主要分析勵(lì)磁電流的工作原理，即先了解勵(lì)磁電流的電力來源。通常情況下，勵(lì)磁電流中的電流主要是由經(jīng)過降壓的勵(lì)磁變壓器和整流之后的可控硅整流器的發(fā)電機(jī)提供的。而勵(lì)磁電流自動(dòng)穩(wěn)定電壓的功能主要是由調(diào)節(jié)器來保障的。這是因?yàn)閯?lì)磁電流的調(diào)節(jié)裝置能夠?qū)⒏鞣N信號(hào)經(jīng)過一系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換、處理之后合并，以提高勵(lì)磁電流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障永磁同步電機(jī)電力的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 勵(lì)磁電流的主要利用方式

永磁同步電機(jī)勵(lì)磁電流的利用或者說是獲取方式不止一種，其實(shí)也不外乎是直流電和交流電這兩種主要方式。下面，筆者簡要介紹一下其獲取勵(lì)磁電流的方式。

1.3.1 通過直流發(fā)電機(jī)獲取

不管是直流電的獲取還是交流電的獲取，勵(lì)磁電流都有自己專用的發(fā)電機(jī)。其中，獲取電力的直流發(fā)電機(jī)又被稱為直流勵(lì)磁機(jī)。雖然發(fā)電機(jī)工作的具體原理是相同的，但是，不得不說，勵(lì)磁直流機(jī)的電力獲取方式還是有所不同的，它主要是通過大軸和固定的配置獲取直流電。這樣一來，盡管有一些小缺陷，比如，減慢永磁同步電機(jī)工作過程中調(diào)節(jié)電流的速度，減少不利于設(shè)備日常工作的一些維修工作等。但是，也不能否認(rèn)這種獲取電力方式的優(yōu)點(diǎn)，它不僅可靠，更重要的是比較獨(dú)立，可以減少電力的消耗量等。

1.3.2 通過交流發(fā)電機(jī)獲取

與直流勵(lì)磁機(jī)一樣，勵(lì)磁專用的交流發(fā)電機(jī)被稱為交流勵(lì)磁機(jī)。同樣，它也是通過安裝在內(nèi)部的大軸和其他的相關(guān)配置來獲取電力的。與直流勵(lì)磁機(jī)不同的是，交流勵(lì)磁機(jī)相對(duì)來說是偏向于靜止的工作方式。而交流勵(lì)磁機(jī)的缺點(diǎn)也是不可掩蓋的，比如說會(huì)發(fā)出比較大的噪聲，影響人們的生活，但是，它的優(yōu)勢(shì)同樣也是不能忽視的，不僅簡單、易操作，還具有較高的可靠性。

除了上述兩種大家都知道的直流勵(lì)磁機(jī)和交流勵(lì)磁機(jī)外，永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁電流獲取方式還有一種比較隱秘的方式——不利用專門的勵(lì)磁設(shè)備獲取電流。這種手法也被稱為自勵(lì)式靜止勵(lì)磁。當(dāng)然，這種獲取電力的方式也有它的優(yōu)點(diǎn)，最主要的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，成本比較低。

1.4 永磁同步電機(jī)的工作特點(diǎn)及其應(yīng)用

1.4.1 永磁同步電機(jī)的工作特點(diǎn)

永磁同步電機(jī)工作時(shí)有其他發(fā)電機(jī)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)在電壓的調(diào)節(jié)、無功功率的調(diào)節(jié)和無功負(fù)荷的分配等方面。這三部分是相輔相成、共同作用的。電壓的調(diào)節(jié)是根據(jù)無功負(fù)荷電流運(yùn)轉(zhuǎn)工作的，而在發(fā)電機(jī)改變時(shí)，無功功率也會(huì)隨著電流的變化而變化。這時(shí)，就需要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以此保障永磁同步電機(jī)的穩(wěn)定性。除此之外，在分配無功負(fù)荷時(shí)，也應(yīng)該保持電流的穩(wěn)定性，并且在永磁同步電機(jī)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，要調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，以保證無功負(fù)荷分配的合理性和安全性。

1.4.2 永磁同步電機(jī)的具體應(yīng)用

因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)具有其他設(shè)備不曾有的特點(diǎn)，所以，在我國，其應(yīng)用范圍非常廣。它除了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械化操作中，還在機(jī)器人等高精密度的設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了很大的作用。根據(jù)永磁同步電機(jī)的不同性能，可以對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域分類，主要可以分為以下3類：①在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用定速驅(qū)動(dòng)設(shè)備。這類設(shè)備主要是利用永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)、泵和普通機(jī)床等。②運(yùn)用于工作機(jī)械的調(diào)速驅(qū)動(dòng)設(shè)備中。這類設(shè)備最大的特點(diǎn)就是能夠維持一定的速度，使應(yīng)用永磁同步電機(jī)的設(shè)備單方向運(yùn)動(dòng)。③最后一類就比較復(fù)雜了，主要是應(yīng)用于精密度比較高的電子科學(xué)領(lǐng)域的驅(qū)動(dòng)控制，比如，自動(dòng)化的工業(yè)操作系統(tǒng)和電子信息技術(shù)方面。應(yīng)用永磁同步電機(jī)，不僅能提高其運(yùn)行速度，還能延長設(shè)備的使用壽命。

2 設(shè)計(jì)工序和基于降階負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器的控制措施

2.1 相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的物理名詞

永磁同步電機(jī)的基本計(jì)算模形是通過一系列的物理計(jì)算公式計(jì)算和推導(dǎo)的。這些計(jì)算公式分別用于計(jì)算相關(guān)電流在不同的直軸或者偏軸上的電壓分配情況，并與表達(dá)轉(zhuǎn)速的偏導(dǎo)計(jì)算公式連立。在具體的計(jì)算公式中，按照國際標(biāo)準(zhǔn)，不同的字母代表不同的數(shù)值。其中，電流采用的是國際上通用的安培物理代表量，主要的計(jì)算數(shù)據(jù)包括電樞電阻、電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置、永磁轉(zhuǎn)子的磁鏈、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦系數(shù)等。根據(jù)這些數(shù)值就可以推斷出永磁同步電機(jī)的同步速度。除此之外，為了更加具體、詳細(xì)地觀測(cè)負(fù)載轉(zhuǎn)子的距離，不僅需要知道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，還必須了解測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，以免出現(xiàn)誤差。

2.2 抗拒降階負(fù)載的干擾的測(cè)試

通過一系列的數(shù)據(jù)和模擬實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，永磁同步電機(jī)在面對(duì)相同的負(fù)載條件而僅僅是改變它的轉(zhuǎn)子距離的情況下，永磁同步電機(jī)受到的干擾是不同的。在實(shí)驗(yàn)過程中，不同設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度波形是大不相同的，而且還是突然性的。一般來說，在確定了永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速標(biāo)值時(shí)，仿真波形不是突然增加就是突然減少，但是，總體來說，還是增加的百分比更大。所以，如果想要控制永磁同步電機(jī)，使其盡量不受到干擾，最好的辦法就是減緩它的轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)降速，具體可以采用負(fù)載補(bǔ)償?shù)氖址?。這樣一來，不僅能夠縮短相應(yīng)的時(shí)間，還能夠有效控制永磁同步電機(jī)受到干擾的程度。

3 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種在給定超平面上采用不同結(jié)構(gòu)控制，將系統(tǒng)狀態(tài)向量約束在開關(guān)面內(nèi)滑動(dòng)的控制方法。一旦進(jìn)入滑模狀態(tài)，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移就不受原來參數(shù)的變化和擾動(dòng)的影響。因此，對(duì)系統(tǒng)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)在一定條件下具有很強(qiáng)的魯棒性。

4 無傳感器控制

永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制方法大體可以分為2類，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合。

4.1 基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法

基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法過程簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速。它主要包括直接計(jì)算法、基于電感變化的估算方法、反電動(dòng)勢(shì)積分法和擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)法等。這類方法很容易受到參數(shù)的不確定性和測(cè)量噪聲的影響，而且算法不穩(wěn)定，一般不采用。

4.2 基于各種觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法

由于閉環(huán)算法中引入了反饋校正環(huán)節(jié)，有效保證了算法的收斂性，觀測(cè)器對(duì)參數(shù)變化的魯棒性也比較好。這些適用于高速運(yùn)行的無傳感器控制技術(shù)都是直接或間接的從反電勢(shì)中提取位置信號(hào)，利用電機(jī)的電壓方程計(jì)算出所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的。由于反電勢(shì)幅值與速度成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低甚至到零速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的信噪比小，再加上其他干擾因素，不能精確地估算轉(zhuǎn)子的速度和位置。

5 結(jié)束語

綜上所述，雖然永磁同步電機(jī)的運(yùn)行會(huì)受到一些因素的干擾，影響其工作效率，但是，也是有辦法可以彌補(bǔ)的。而且，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用范圍十分廣，能進(jìn)一步推動(dòng)我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

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〔編輯：白潔〕