基于高階滑模觀測器的磁鏈參數檢測方法

Flux linkage parameters detection method based high order sliding mode observer

目云奎
（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

      摘要：針對永磁同步電機磁鏈參數變化問題，提出了基于非奇異終端滑模觀測器的在線檢測方法。首先，選擇d-q坐標系下定子電流作為狀態變量，構造內置式永磁同步電機(IPMSM)磁鏈檢測的數學模型。然后，針對電機運行過程中磁鏈參數受到外界干擾會發生變化，構造了非奇異終端模觀測器，利用Lyapunov穩定性理論對觀測器的穩定性進行證明。最后，仿真結果驗證了所提方法的可靠性和真實性。
       關鍵詞：內置式永磁同步電機；非奇異終端滑模觀測器；磁鏈參數

　　0 引言

      嵌入式永磁同步電機(IPMSM)由于具有較強的過載能力，被廣泛應用于牽引系統。電機運行過程中，由于各種參數變化，尤其是磁鏈的變化，導致電機達不到理想的輸出效果。因此，準確的探測出運行電機中參數變化情況，對延長電機壽命意義頗深^[1]。
　　牽引系統中的牽引電機運行區間跨度較大，運行工況極易變化、運行環境極為惡劣以及結構的特殊性，導致其電感參數運行過程中會發生變化，進而致使電機控制精度下降。對電機的磁鏈進行在線實時辨識，是為了保證牽引系統能夠安全可靠的運行。電機運行中，電阻參數受溫度影響很大，所以對電機定子電阻方面研究的論文十分之多。文獻^[2]基于改進型滑模觀測器對電機轉速以及轉子位置進行跟蹤的同時，運用李雅普諾夫函數對電阻進行實時觀測。文獻^[3]用自適應控制實現了永磁同步電機電阻辨識。文獻^[4-5]利用電機模型構建狀態觀測器以及建立不同算法對定子電阻進行辨識，但是該方法辨識過程較為復雜。文獻^[6]通過熱學模型對定子電阻進行修正是利用電阻受溫度影響而發生變化的特性。對于電阻參數的研究,目前已發表了眾多研究成果，本文不再進行深入研究。
　　IPMSM失磁導致d-q軸都有磁鏈分量，故檢測難度增加。文獻^[7-9]均以表貼式永磁同步電機為研究對象，對電機電感、磁鏈等參數進行辨識。文獻^[10]基于模型參考自適應理論，利用q軸電流方程構造出自適應電流觀測器，對嵌入式永磁同步電機的眾多參數進行檢測，但只測出電機參數的靜態辨識結果。
　　本文針對永磁同步牽引電機在運行過程中受到外界干擾導致磁鏈參數實時變化的特點，給出一種基于非奇異終端滑模觀測器的在線檢測方法，實現對IPMSM的磁鏈在線檢測。仿真結果表明了所提方法的可靠性和真實性。
　　1 IPMSM數學模型

　　IPMSM在d-q坐標系下的數學模型為^[10]

　　其中，L_d、L_q分別是d、q軸電感； R 是定子電阻； ω 是轉子電角速度；i_d、i_q分別是d、q軸電流；u_d、u_q分別是d、q電壓； ψ_f是永磁體磁鏈。把定子電流選作狀態變量，由式(1)可得永磁同步電機的狀態方程：

　　2 非奇異終端滑模觀測器設計
　　為了得到準確的實時磁鏈觀測值，設計如下非奇異終端滑模觀測器：

　　由式(2)與式(3)可得觀測器誤差方程為：

　　選取非奇異終端滑模面為

　　式中:

　　設計式(6) ～ 式( 8) 所示的控制律，則系統在有限時間內收斂至0。

　　由以上證明可知所設計的觀測器(3)漸進穩定，且可通過調節 p、q、 a 參數調節收斂速度。當系統狀態抵達滑模切面后，由滑模等值控制原理可得

　　3 仿真與分析
　　基于非奇異終端滑模觀測器的IPMSM矢量控制系統框圖如圖1所示，主要由速度環、電流環、位置速度檢測模塊和狀態觀測器模塊等組成。i_d=0控制策略應用在本文中。

　　下面對非奇異終端滑模觀測器進行分析。分別對電機正常運行與電機存在擾動兩種不同情況進行討論。
　　正常運行情況下， 為證明觀測器的魯棒性，設置初始轉速為refω =225 rad/s， 在0.1 s時開始增加至300rad/s；圖2是給出的磁鏈參數觀測波形。從圖2可知，在正常情況下，觀測器能實現磁鏈參數快速、準確的跟蹤以及估算。電機存在干擾： 給電機加上一定干擾，干擾取為sint。

　　如圖3所示，該系統能夠快速精確的檢測出系統的磁鏈參數變化且能迅速的跟蹤。

　　4 結論：
　　牽引電機運行在比較惡劣的環境下，磁鏈參數容易發生變化。設計的非奇異終端滑模觀測器能對電機的磁鏈進行快速準確的辨識。該算法簡便且易于實現。仿真結果表明：本方法能夠快速對磁鏈參數變化進行檢測以及跟蹤，魯棒性極強。
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　　作者簡介：
　　目云奎(1989-)，男，安徽亳州人，助理工程師，碩士，主要研究方向：電力傳動技術及其故障診斷。

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第81頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處