基于降階負載擾動觀測器的永磁同步電機控制

許彥卿

摘 要：隨著我國科學技術的不斷發展，對永磁同步電機的研究也越來越深入，它不僅能夠精確的應用于特種機器人的操作系統中，還能夠運用于數控機床的操作中，是一項十分重要的科學技術發明。針對永磁同步電機的工作原理、主要方式、特點、應用范圍和關于永磁同步電機防止干擾的觀測器的應用等內容，具體闡述了如何控制基于降價負載擾動觀測器的永磁同步電機。

關鍵詞：降價運載；擾動觀測器；永磁同步電機；勵磁電流

中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.065

從我國目前的情況看，雖然永磁同步電機能夠應用于很多的專業領域，但是，不得不承認的是，在具體應用方面，它仍然會受到干擾，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，使其不再受到干擾成為了我國科學家和相關人員應當率先思考的問題。

1 永磁同步電機的介紹

要想對永磁同步電機進行干擾控制，使其能夠更好地為人們服務，就要先了解它。下面，筆者從永磁同步電機的定義出發，分析了一些關于永磁同步電機的工作原理以及它的特點和應用范圍。

1.1 永磁同步電機的定義

所謂“永磁同步電機”，是指同步發電機利用一個由勵磁電流而產生的直流磁場進行能量轉換的一種電力發動機。這里的勵磁電流說的就是類似于擁有南北極電磁鐵的一個轉子所產生的直流電壓。簡單地說，永磁同步電機就是一個進行能量轉換的電力發電機，只是運用原理與普通的發電機有所不同。另外，當永磁同步電機執行運轉工作時，會有一個專用的勵磁調節器調整發電機的端電壓，以此保證永磁同步電機的正常、穩定運行。除此之外，大家還應該了解的一點就是多臺發動機同時運行的情況。一般來講，不管是多少臺發動機同時工作，勵磁電流的調節裝置都會合理、有效的分配電流。這樣一來，就大大保證了永磁同步電機電力系統的長期有效運行，既穩定，效率又高。

1.2 勵磁電流的工作原理

一般來講，永磁同步電機就是利用勵磁電流進行能量轉換。這里主要分析勵磁電流的工作原理，即先了解勵磁電流的電力來源。通常情況下，勵磁電流中的電流主要是由經過降壓的勵磁變壓器和整流之后的可控硅整流器的發電機提供的。而勵磁電流自動穩定電壓的功能主要是由調節器來保障的。這是因為勵磁電流的調節裝置能夠將各種信號經過一系統的轉換、處理之后合并，以提高勵磁電流系統的穩定性，保障永磁同步電機電力的穩定性和安全性。

1.3 勵磁電流的主要利用方式

永磁同步電機勵磁電流的利用或者說是獲取方式不止一種，其實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磁電流的方式。

1.3.1 通過直流發電機獲取

不管是直流電的獲取還是交流電的獲取，勵磁電流都有自己專用的發電機。其中，獲取電力的直流發電機又被稱為直流勵磁機。雖然發電機工作的具體原理是相同的，但是，不得不說，勵磁直流機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，減慢永磁同步電機工作過程中調節電流的速度，減少不利于設備日常工作的一些維修工作等。但是，也不能否認這種獲取電力方式的優點，它不僅可靠，更重要的是比較獨立，可以減少電力的消耗量等。

1.3.2 通過交流發電機獲取

與直流勵磁機一樣，勵磁專用的交流發電機被稱為交流勵磁機。同樣，它也是通過安裝在內部的大軸和其他的相關配置來獲取電力的。與直流勵磁機不同的是，交流勵磁機相對來說是偏向于靜止的工作方式。而交流勵磁機的缺點也是不可掩蓋的，比如說會發出比較大的噪聲，影響人們的生活，但是，它的優勢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磁機和交流勵磁機外，永磁同步電機的勵磁電流獲取方式還有一種比較隱秘的方式——不利用專門的勵磁設備獲取電流。這種手法也被稱為自勵式靜止勵磁。當然，這種獲取電力的方式也有它的優點，最主要的優點就是結構簡單，成本比較低。

1.4 永磁同步電機的工作特點及其應用

1.4.1 永磁同步電機的工作特點

永磁同步電機工作時有其他發電機所沒有的優點，具體表現在電壓的調節、無功功率的調節和無功負荷的分配等方面。這三部分是相輔相成、共同作用的。電壓的調節是根據無功負荷電流運轉工作的，而在發電機改變時，無功功率也會隨著電流的變化而變化。這時，就需要調節勵磁電流，以此保障永磁同步電機的穩定性。除此之外，在分配無功負荷時，也應該保持電流的穩定性，并且在永磁同步電機自動運轉工作時，要調節勵磁裝置，以保證無功負荷分配的合理性和安全性。

1.4.2 永磁同步電機的具體應用

因為永磁同步電機具有其他設備不曾有的特點，所以，在我國，其應用范圍非常廣。它除了應用于農業機械化操作中，還在機器人等高精密度的設計方面發揮了很大的作用。根據永磁同步電機的不同性能，可以對其應用領域分類，主要可以分為以下3類：①在工農業生產中運用定速驅動設備。這類設備主要是利用永磁同步電機的特點設計風機、泵和普通機床等。②運用于工作機械的調速驅動設備中。這類設備最大的特點就是能夠維持一定的速度，使應用永磁同步電機的設備單方向運動。③最后一類就比較復雜了，主要是應用于精密度比較高的電子科學領域的驅動控制，比如，自動化的工業操作系統和電子信息技術方面。應用永磁同步電機，不僅能提高其運行速度，還能延長設備的使用壽命。

2 設計工序和基于降階負載擾動觀測器的控制措施

2.1 相關數據和設計的物理名詞

永磁同步電機的基本計算模形是通過一系列的物理計算公式計算和推導的。這些計算公式分別用于計算相關電流在不同的直軸或者偏軸上的電壓分配情況，并與表達轉速的偏導計算公式連立。在具體的計算公式中，按照國際標準，不同的字母代表不同的數值。其中，電流采用的是國際上通用的安培物理代表量，主要的計算數據包括電樞電阻、電機轉子的位置、永磁轉子的磁鏈、電機轉動慣量和摩擦系數等。根據這些數值就可以推斷出永磁同步電機的同步速度。除此之外，為了更加具體、詳細地觀測負載轉子的距離，不僅需要知道轉動慣量，還必須了解測量現場的具體情況，以免出現誤差。

2.2 抗拒降階負載的干擾的測試

通過一系列的數據和模擬實驗不難發現，永磁同步電機在面對相同的負載條件而僅僅是改變它的轉子距離的情況下，永磁同步電機受到的干擾是不同的。在實驗過程中，不同設備的運轉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的轉速標值時，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，使其盡量不受到干擾，最好的辦法就是減緩它的轉子動態降速，具體可以采用負載補償的手法。這樣一來，不僅能夠縮短相應的時間，還能夠有效控制永磁同步電機受到干擾的程度。

3 滑模變結構控制

滑模變結構控制是一種在給定超平面上采用不同結構控制，將系統狀態向量約束在開關面內滑動的控制方法。一旦進入滑模狀態，系統狀態的轉移就不受原來參數的變化和擾動的影響。因此，對系統攝動和外部擾動在一定條件下具有很強的魯棒性。

4 無傳感器控制

永磁同步電機無速度傳感器控制方法大體可以分為2類，它們各有優缺點，適用于不同的場合。

4.1 基于電機理想模型的開環計算方法

基于電機理想模型的開環計算方法過程簡單，動態響應迅速。它主要包括直接計算法、基于電感變化的估算方法、反電動勢積分法和擴展反電動勢法等。這類方法很容易受到參數的不確定性和測量噪聲的影響，而且算法不穩定，一般不采用。

4.2 基于各種觀測器模型的閉環算法

由于閉環算法中引入了反饋校正環節，有效保證了算法的收斂性，觀測器對參數變化的魯棒性也比較好。這些適用于高速運行的無傳感器控制技術都是直接或間接的從反電勢中提取位置信號，利用電機的電壓方程計算出所感應的電動勢來估計轉子位置的。由于反電勢幅值與速度成正比，當轉速很低甚至到零速時，反電動勢的信噪比小，再加上其他干擾因素，不能精確地估算轉子的速度和位置。

5 結束語

綜上所述，雖然永磁同步電機的運行會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的。而且，永磁同步電機的應用范圍十分廣，能進一步推動我國科學技術的發展。

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〔編輯：白潔〕