基于滑模觀測(cè)器的煤礦永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 玫，張傳俊

（1.淮河能源控股集團(tuán)有限責(zé)任公司煤業(yè)公司安裝工程分公司，安徽 淮南 232000；2.安徽工商職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 230000）

礦用電機(jī)車是我國(guó)礦山機(jī)械主要運(yùn)輸方式，蓄電池充電通常在井下電機(jī)車庫(kù)進(jìn)行，蓄電池電機(jī)車存在電池壽命短、加酸加液泄露等缺點(diǎn)，超級(jí)電容器具有充電時(shí)間長(zhǎng)，使用溫度范圍寬等特點(diǎn)，使新型電機(jī)車具有充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以解決鉛蓄電池電機(jī)使用安全隱患。礦用電機(jī)車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能要求較高，交流電機(jī)不需應(yīng)用電刷，消除換向火花引發(fā)瓦斯爆炸的隱患，減少檢修電刷的工作量，交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)日益成熟，實(shí)現(xiàn)在礦用電機(jī)車上的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)出現(xiàn)推動(dòng)永磁材料發(fā)展，永磁同步電機(jī)運(yùn)行性能平穩(wěn)，采用永磁同步電機(jī)為礦用電機(jī)車控制系統(tǒng)牽引電機(jī)，可以減少電機(jī)維護(hù)工作量。

1 煤礦永磁同步電機(jī)控制技術(shù)研究

電機(jī)節(jié)能是國(guó)家節(jié)能減排工作的重點(diǎn)領(lǐng)域，采用交流電機(jī)成為調(diào)速牽引系統(tǒng)的必然趨勢(shì)，異步電機(jī)成為交流調(diào)速的主流電機(jī)，80年代初第三代稀土永磁材料問(wèn)世推動(dòng)永磁同步電機(jī)的發(fā)展，永磁材料發(fā)展使得電機(jī)本體性能得到提高，永磁同步電機(jī)不需無(wú)功勵(lì)磁電流，具有高功率密度，可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。同步電機(jī)不能自行啟動(dòng)成為其推廣的障礙，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，矢量控制問(wèn)世使得交流調(diào)速系統(tǒng)性能得到提升，解決起步困難問(wèn)題。

目前礦用電機(jī)車每臺(tái)配備3套鉛酸電池組，鉛酸蓄電池能量密度低，導(dǎo)致電機(jī)車用電效率低，充電設(shè)備初期建設(shè)投資較大，導(dǎo)致在市場(chǎng)上推廣受到制約。由于超級(jí)電容器制造工藝特殊性，其等效內(nèi)阻低，超級(jí)電容比功率可達(dá)到10 000 W/k，超級(jí)電容具有很高的應(yīng)用性能。礦用牽引機(jī)車工作環(huán)境惡劣，超級(jí)電容具有環(huán)保壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。超電容電源裝置可進(jìn)行短時(shí)大電流充放電，超級(jí)電容器問(wèn)世于七八十年代，未來(lái)具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。礦用電機(jī)車中永磁同步電機(jī)應(yīng)用最多，異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在低速性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，參數(shù)變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。永磁同步電機(jī)誕生于1831年，近年來(lái)借助永磁材料發(fā)展控制技術(shù)日益成熟，永磁同步電機(jī)性能得到提升。

牽引電機(jī)是電機(jī)車核心部件，異步電機(jī)得到廣泛推廣應(yīng)用。采用永磁材料同步電機(jī)優(yōu)于異步電機(jī)，因其優(yōu)越物理特性，加快永磁同步電機(jī)技術(shù)的發(fā)展。永磁同步電機(jī)作為礦用電機(jī)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有多種優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈為定值，矢量控制系統(tǒng)中準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度實(shí)時(shí)信息是實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能提高的前提。由于無(wú)傳感器控制技術(shù)的成熟，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備等方面，有效提高系統(tǒng)控制精度與穩(wěn)定性。無(wú)傳感器控制技術(shù)誕生開拓新技術(shù)領(lǐng)域，可以提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定的可靠性，推動(dòng)永磁同步電機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用。

2 礦用電機(jī)車永磁同步電機(jī)控制原理

近年來(lái)，高速永磁同步電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，但機(jī)械傳感器帶來(lái)成本增加，滑膜觀測(cè)器憑借其物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注，滑膜觀測(cè)器結(jié)果易受到抖振干擾。無(wú)位置傳感器控制法成為當(dāng)前熱點(diǎn)，主要包括高頻注入，滑膜觀測(cè)器等。交流電機(jī)分為同異步電機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)具有造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但存在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小等缺點(diǎn)。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)成為重要的研究方向。

永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體位置分為表面式與內(nèi)嵌式，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高過(guò)載能力。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)類似，將永磁體取代電勵(lì)磁繞組安裝在轉(zhuǎn)子上。轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)與定子電流產(chǎn)生磁場(chǎng)相互作用，磁場(chǎng)關(guān)系變得非常復(fù)雜，建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型非常困難。通常假設(shè)轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼繞組，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)在空間呈正弦分布。將三相靜止坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，坐標(biāo)系合成磁勢(shì)在坐標(biāo)軸投影效果相同，可得到三相靜止坐標(biāo)系變換公式。電機(jī)調(diào)速控制關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，矢量控制是將電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為不耦合軸定子電流控制，存在d，p軸電流多種組合方式。

矢量控制核心是解耦控制，矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制策略，將三相電流矢量分解為相互垂直的勵(lì)磁電流矢量id、q軸建立在超前轉(zhuǎn)子磁通90°位置處，實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁通位置可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制。Id=0控制方法簡(jiǎn)單，使得電機(jī)調(diào)速容易實(shí)現(xiàn)，id=0控制方法使永磁同步電機(jī)擁有相同于直流電機(jī)控制特性。電磁轉(zhuǎn)矩與iq成正比關(guān)系，在額定電流內(nèi)可輸出較大轉(zhuǎn)矩?？臻g矢量脈寬調(diào)制是將定子電壓合成為旋轉(zhuǎn)電壓矢量，可用三相逆變器輸出任意相鄰基本電壓矢量表示定子電壓轉(zhuǎn)合為矢量狀態(tài)，調(diào)整矢量作用時(shí)間可提高旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)接近圓形程度。

3 滑膜觀測(cè)器PMSM控制系統(tǒng)

高性能永磁同步電機(jī)矢量控制要準(zhǔn)確進(jìn)行閉環(huán)控制，傳感器設(shè)備獲得反饋卡信號(hào)，增加機(jī)械連接與電氣連接，無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制具有廣闊前景。永磁同步無(wú)傳感器控制法包括基于高頻信號(hào)注入與基于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)法，高頻電流注入方法需要對(duì)電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)IPMSM在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系基本電壓方程合理分析，對(duì)高頻信號(hào)注入法可行性驗(yàn)證。

電流環(huán)是永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，永磁同步電機(jī)矢量控制將定子電流控制分解為勵(lì)磁分量id與轉(zhuǎn)矩分量iq，點(diǎn)亮轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系產(chǎn)生交叉耦合，電流調(diào)節(jié)器性能隨著轉(zhuǎn)速下降，降低交流環(huán)的控制性能。電壓前饋解耦等多種方法改善電流調(diào)節(jié)器耦合性能。耦合方案大多對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng)，改善電流耦合性能有限。復(fù)矢量電流調(diào)節(jié)器通過(guò)控制器不對(duì)稱復(fù)零點(diǎn)對(duì)消控系統(tǒng)不對(duì)稱復(fù)極點(diǎn)，改善電流動(dòng)態(tài)耦合現(xiàn)象。數(shù)字實(shí)現(xiàn)通過(guò)將連續(xù)s域轉(zhuǎn)換到離散z域近似法離散化，在大多數(shù)場(chǎng)合下適用，采用直接設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)離散電流調(diào)節(jié)器可表現(xiàn)優(yōu)越性能。

滑模變結(jié)構(gòu)是變結(jié)構(gòu)控制策略，具有對(duì)對(duì)象數(shù)學(xué)模型精度要求低，控制算法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，滑膜變結(jié)構(gòu)可迫使系統(tǒng)沿規(guī)定狀態(tài)軌跡作運(yùn)動(dòng)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制在50年代出現(xiàn)，形成具有魯棒性好的控制系統(tǒng)。變結(jié)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)是表現(xiàn)為控制不連續(xù)性非線性系統(tǒng)，滑膜控制條件包括穩(wěn)定性等。滑?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)分為滑模面內(nèi)外運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器步驟包括設(shè)計(jì)切換函數(shù)s（x），u（x），滑模觀測(cè)器是驅(qū)使?fàn)顟B(tài)變量軌線沿滑模面移動(dòng)，估算電流誤差值中含有反電動(dòng)勢(shì)估算信息，通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)公式得到位置角度估算值。結(jié)合鎖相環(huán)估算轉(zhuǎn)正位置，鎖相環(huán)模塊通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系，對(duì)轉(zhuǎn)子速度積分得到位置信息。

4 改進(jìn)型滑模觀測(cè)器PMSM控制系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)位置傳感器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，利用傳感器確定轉(zhuǎn)子磁極位置，產(chǎn)生所需電磁轉(zhuǎn)矩精確控制電機(jī)。采用光電籌碼器等機(jī)械位置傳感器降低系統(tǒng)可靠性，滑模觀測(cè)器通過(guò)分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型修正估算值偏差估算轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)方程往往忽略電機(jī)凸極性能。利用李亞普若夫穩(wěn)定準(zhǔn)則進(jìn)行位置估算，通過(guò)建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型估算轉(zhuǎn)子速度。

卡爾曼濾波器對(duì)估算誤差有很好的消除作用，要利用低通濾波器對(duì)PWM形式反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行濾波，滑模運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生抖振穩(wěn)態(tài)，由于原先系統(tǒng)采用開關(guān)切換函數(shù)sign（x）估算反電動(dòng)勢(shì)，狀態(tài)變量進(jìn)行高速滑模切換產(chǎn)生高頻率抖動(dòng)，采用飽和函數(shù)代替控制函數(shù)繼電特性，傳統(tǒng)卡爾曼濾波器中增益K1為固定值，K1取值過(guò)大引起系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。采用調(diào)速中系統(tǒng)在調(diào)速范圍內(nèi)獲得更加良好的穩(wěn)定性。采用MATLAB7.1系統(tǒng)仿真，經(jīng)電流觀測(cè)器得出所需反電動(dòng)勢(shì)，滑模電流觀測(cè)器將可測(cè)輸入量轉(zhuǎn)變?yōu)榉措妱?dòng)勢(shì)輸出。

在永磁同步電機(jī)矢量控制方案基礎(chǔ)上修改，得到永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器矢量控制結(jié)構(gòu)，建立永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模型。經(jīng)磁鏈/電流觀測(cè)器，改進(jìn)反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器得出轉(zhuǎn)子位置速度。電流觀測(cè)器將可測(cè)電壓作為輸入量，改進(jìn)反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器將磁鏈得到電流估算值傳入模塊。經(jīng)電流觀測(cè)器估算后反電動(dòng)勢(shì)Ea波形不存在小波紋，根據(jù)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定值電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。分析轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值與估算值曲線，滑模觀測(cè)器可對(duì)角度進(jìn)行估算。

5 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

永磁同步電機(jī)具有重量輕等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的青睞，一些精密系統(tǒng)中對(duì)伺服系統(tǒng)要求更高性能，用戶希望在原有系統(tǒng)集成更多。實(shí)驗(yàn)選用TI公司生產(chǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，設(shè)計(jì)部分包括軟件環(huán)境與設(shè)計(jì)流程，硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路等。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)從整體設(shè)計(jì)，根據(jù)小模塊功能進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)獲得良好抗干擾能力。

控制系統(tǒng)硬件電路分為主電路與控制電路部分，主電路部分包括整流濾波環(huán)節(jié)，控制部分包括直流電壓檢測(cè)模塊等。系統(tǒng)控制將220 v交流電壓輸入整流濾波器輸出直流電壓，系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)壓信號(hào)保護(hù)電路使DSP進(jìn)入保護(hù)中斷。主電路上電對(duì)直流側(cè)大電容充電產(chǎn)生瞬時(shí)電流，上電啟動(dòng)繼電器未關(guān)閉，限制電路啟動(dòng)電流，繼電器吸合切除啟動(dòng)電阻。電流檢測(cè)模塊檢測(cè)電機(jī)過(guò)載產(chǎn)生電流，設(shè)計(jì)分為對(duì)直流母線電壓與電機(jī)三相電流檢測(cè)。將檢測(cè)直流母線電壓接入控制板，電壓信號(hào)輸入由運(yùn)放LM358組成光耦隔離電路，通過(guò)運(yùn)放LM324后接入DSP的AD采用通道。圖1為動(dòng)態(tài)變速時(shí)轉(zhuǎn)子實(shí)際速度與估算轉(zhuǎn)速波形。

圖1 動(dòng)態(tài)變速時(shí)轉(zhuǎn)子實(shí)際速度與估算轉(zhuǎn)速波形

為使永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)合理的硬件電路基礎(chǔ)上完成軟件編程。主程序?qū)π枰袛嗍噶窟M(jìn)行聲明，中斷服務(wù)程序包含控制中斷服務(wù)子程序。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)出電機(jī)定子電流估算轉(zhuǎn)子位置，檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置角，打開DSP中斷等待信號(hào)進(jìn)入中斷程序。中斷服務(wù)程序完成控制系統(tǒng)主要功能，電機(jī)控制中斷程序利用定時(shí)器為中斷源，CPU響應(yīng)中斷執(zhí)行系列程序?qū)τ来磐诫姍C(jī)控制。動(dòng)態(tài)加載時(shí)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速波形見圖2。

圖2 動(dòng)態(tài)加載時(shí)轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速波形

編碼器產(chǎn)生齒脈沖進(jìn)入DSP中斷服務(wù)程序，為電機(jī)矢量控制提供數(shù)據(jù)信息?；Ｓ^測(cè)器由低通濾波器等組成，建立滑模觀測(cè)器軟件算法流程。經(jīng)轉(zhuǎn)角補(bǔ)償后得到轉(zhuǎn)子角估算值。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有控制板與永磁同步電機(jī)組成。對(duì)永磁同步電機(jī)矢量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，在額定功率內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。電機(jī)電流波形接近正弦波，實(shí)驗(yàn)證明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行有效。

6 結(jié)語(yǔ)

永磁同步電機(jī)具有功率因數(shù)高，便于控制等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。以往交流電機(jī)控制系統(tǒng)需要利用傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子。文章設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制系統(tǒng)，具有魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。介紹永磁同步電機(jī)控制原理，推導(dǎo)電機(jī)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，建立用詞同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)；對(duì)畫面變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抖動(dòng)問(wèn)題分析，仿真驗(yàn)證削弱抖振方法有效性。推導(dǎo)出滑模觀測(cè)器數(shù)學(xué)表達(dá)方式，引入卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)，建立用詞同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，仿真表明設(shè)計(jì)觀測(cè)器有效可行性。