前言

本章節采用滑膜觀測器SMO進行永磁同步電機的無感控制，首先介紹了狀態觀測器的原理，然后分析了滑膜觀測器的原理設計了傳統低階滑膜觀測器，并針對傳統滑膜觀測器存在“抖振”的問題，對建立的傳統滑膜觀測器進行改進，采用電控屆經典資料AN1078的滑膜觀測器改進方案進行控制，最后通過Matlab/Simulink采用傳統的三段式啟動方法對該方案進行仿真分析。

一、狀態觀測器

PMSM有感控制是通過編碼器或者霍爾傳感器獲得電機的位置角與速度，PMSM無感控制是通過觀測器來估算電機的位置角與速度。狀態觀測器，即根據系統的輸入輸出來估計系統的狀態，如下圖所示：

建立用于描述真實電機的數學模型，理論上如果建立的數學模型足夠精確，當真實電機與電機數學模型具有相同的輸入時，其必有相同的輸出。此時我們就可以通過建立的電機數學模型來獲得我們所需要的電機狀態量。但上述系統會存在如下問題：

1、系統抗干擾能力差。電機是一個高階非線性、強耦合、多變量的復雜系統，一旦存在外部干擾或負載突變，此時的觀測器很難響應正確的輸入，以致輸出錯誤或者系統崩潰；

2、誤差的存在導致觀測器的輸出不準確。誤差的來源有系統誤差和測量誤差。系統誤差是建模不準確所帶來的誤差，我們所建立的數學模型與實際的電機不可能完全相同，會存在建模誤差；觀測器的輸入與真實輸入的誤差，觀測器的輸入是通過測量得來，會存在測量誤差。

為了解決上述問題，我們對狀態觀測器增加反饋，通過反饋來不斷的修正狀態觀測器的輸出，使狀態觀測器盡可能的接近真實電機，如下圖所示：

反饋方式與修正方式的不同產生了不同種類的狀態觀測器。

二、滑膜狀態觀測器

2.1.滑膜觀測器的原理

從上述分析，我們對狀態觀測器增加反饋，通過反饋來不斷的修正觀測器的輸出，使觀測器盡可能的接近真實電機，反饋方式與修正方式的不同產生了不同種類的觀測器。

滑膜觀測器的修正方式：滑膜觀測器的修正方式是為建立的數學模型引入了一個修正值z，通過反饋來不斷的計算修正值z，使電機數學模型無限的接近真實電機，就算外部突發干擾也能通過修正值z快速的修正狀態。如果真實系統是一條曲線，SMO觀測器就是圍繞這條曲線來回滑動的線條，滑膜的名字即源于這種特性。

滑膜觀測器的反饋方式：滑膜觀測器的反饋方式即修正值z的計算方式，滑膜觀測器的輸出減去真實電機的輸出，如果誤差大于0，給數學模型加上修正值z；如果誤差小于0，給數學模型減去修正值z，也即滑膜控制規律是基于符號函數 sign(x)進行設計。

滑膜觀測器的整體框圖如下圖所示：

2.2.傳統的滑膜觀測器

三、Matlab/Simulink仿真分析

上圖為PMSM基于滑膜觀測器的無感控制整體框圖，為了后續模型生成代碼進行工程實現，本示例將控制算法部分單獨建模，通過調用控制算法模型進行PMSM的控制。

3.1.仿真電路分析

為了后續模型生成代碼加載到底層進行工程實現，本示例建立了三個不同時間的調度任務。

10ms任務：用于電機控制模式的切換，本示例采用經典的三段式啟動方式，即轉子預定位、IF開環啟動、開環切閉環進行無感控制。

速度環控制：相較于電流環速度環對實時性要求不高，帶寬一般為電流環帶寬的1/20，本示例將速度環設置為2ms任務。

電流環控制：電流環對實時性要求高，帶寬高時間設置為FOC的執行時間20KHz。

3.1.1 電機控制模式切換10ms任務

設置轉子預定位持續時間500ms；500ms后切換為IF開環控制；如果IF開環啟動時間大于1s且此時的速度大于900RPM，則切換到無感閉環控制。

3.1.2 速度環控制2ms任務

只有在無感閉環控制模式才用到速度環。

3.1.3 電流環控制50us任務

控制模式切換：

滑膜觀測器：

FOC電流閉環：

3.1.4 電機主電路

3.2.仿真結果分析

傳統滑膜觀測器反電動勢觀測值：

改進的滑膜觀測器反電動勢觀測值：

電機轉速：

0~0.5s執行轉子預定位：

0.5s~2.76s為IF開環啟動：

2.76s~20s為無感閉環控制：

電機定子電流：

電機實際轉子位置：

同步旋轉坐標系下的定子電流Id、Iq：

同步旋轉坐標系下的定子電壓：

電磁轉矩：

總結

本章節采用滑膜觀測器SMO進行了永磁同步電機的無感控制，首先介紹了狀態觀測器的原理，然后分析了滑膜觀測器的原理設計了傳統低階滑膜觀測器，并針對傳統滑膜觀測器存在“抖振”的問題，對建立的傳統滑膜觀測器進行改進，采用電控屆經典資料AN1078的滑膜觀測器改進方案進行控制，最后通過Matlab/Simulink采用傳統的三段式啟動方法對該方案進行仿真分析。