基于高階滑模觀(guān)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(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

      摘要：針對永磁同步電機磁鏈參數變化問(wèn)題，提出了基于非奇異終端滑模觀(guān)測器的在線(xiàn)檢測方法。首先，選擇d-q坐標系下定子電流作為狀態(tài)變量，構造內置式永磁同步電機(IPMSM)磁鏈檢測的數學(xué)模型。然后，針對電機運行過(guò)程中磁鏈參數受到外界干擾會(huì )發(fā)生變化，構造了非奇異終端模觀(guān)測器，利用Lyapunov穩定性理論對觀(guān)測器的穩定性進(jìn)行證明。最后，仿真結果驗證了所提方法的可靠性和真實(shí)性。
       關(guān)鍵詞：內置式永磁同步電機；非奇異終端滑模觀(guān)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(guò)載能力，被廣泛應用于牽引系統。電機運行過(guò)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(cháng)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(huán)境極為惡劣以及結構的特殊性，導致其電感參數運行過(guò)程中會(huì )發(fā)生變化，進(jìn)而致使電機控制精度下降。對電機的磁鏈進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)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(jìn)型滑模觀(guān)測器對電機轉速以及轉子位置進(jìn)行跟蹤的同時(shí)，運用李雅普諾夫函數對電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測。文獻^[3]用自適應控制實(shí)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(tài)觀(guān)測器以及建立不同算法對定子電阻進(jìn)行辨識，但是該方法辨識過(guò)程較為復雜。文獻^[6]通過(guò)熱學(xué)模型對定子電阻進(jìn)行修正是利用電阻受溫度影響而發(fā)生變化的特性。對于電阻參數的研究,目前已發(fā)表了眾多研究成果，本文不再進(jìn)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(jìn)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(guān)測器，對嵌入式永磁同步電機的眾多參數進(jìn)行檢測，但只測出電機參數的靜態(tài)辨識結果。
　　本文針對永磁同步牽引電機在運行過(guò)程中受到外界干擾導致磁鏈參數實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，給出一種基于非奇異終端滑模觀(guān)測器的在線(xiàn)檢測方法，實(shí)現對IPMSM的磁鏈在線(xiàn)檢測。仿真結果表明了所提方法的可靠性和真實(shí)性。
　　1 IPMSM數學(xué)模型

　　IPMSM在d-q坐標系下的數學(xué)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(tài)變量，由式(1)可得永磁同步電機的狀態(tài)方程：

　　2 非奇異終端滑模觀(guān)測器設計
　　為了得到準確的實(shí)時(shí)磁鏈觀(guān)測值，設計如下非奇異終端滑模觀(guān)測器：

　　由式(2)與式(3)可得觀(guān)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(shí)間內收斂至0。

　　由以上證明可知所設計的觀(guān)測器(3)漸進(jìn)穩定，且可通過(guò)調節 p、q、 a 參數調節收斂速度。當系統狀態(tài)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(guān)測器的IPMSM矢量控制系統框圖如圖1所示，主要由速度環(huán)、電流環(huán)、位置速度檢測模塊和狀態(tài)觀(guān)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(guān)測器進(jìn)行分析。分別對電機正常運行與電機存在擾動(dòng)兩種不同情況進(jìn)行討論。
　　正常運行情況下， 為證明觀(guān)測器的魯棒性，設置初始轉速為refω =225 rad/s， 在0.1 s時(shí)開(kāi)始增加至300rad/s；圖2是給出的磁鏈參數觀(guān)測波形。從圖2可知，在正常情況下，觀(guān)測器能實(shí)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(huán)境下，磁鏈參數容易發(fā)生變化。設計的非奇異終端滑模觀(guān)測器能對電機的磁鏈進(jìn)行快速準確的辨識。該算法簡(jiǎn)便且易于實(shí)現。仿真結果表明：本方法能夠快速對磁鏈參數變化進(jìn)行檢測以及跟蹤，魯棒性極強。
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　　作者簡(jiǎn)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(dòng)技術(shù)及其故障診斷。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第81頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處