一種永磁同步電機失磁故障滑膜調速方法

目云奎 陳玄

摘要：針對如何改善永磁同步電機（PMSM）控制性能，采用一種基于永磁磁鏈在線觀測的滑模調速方法。首先，采用基于滑模變結構控制的速度環控制模型，分析永磁磁鏈對電機帶負載能力的影響。然后，在磁場同步旋轉坐標系中構造永磁同步電機的新型磁鏈觀測狀態方程，通過龍伯格觀測器隔開觀測器中電機速度變化對觀測器誤差方程造成的影響，借助Lvapunov穩定性理論對觀測器的穩定性加以證明，依據滑模變結構等值控制原理構造出永磁磁鏈算式。最后，通過仿真驗證了該方法的可行性。

關鍵詞：永磁同步電機;滑模調速;永磁磁鏈;龍伯格一滑膜觀測器

0引言

交流永磁同步電機因優異的性能在現代交流傳動領域得到廣泛的應用。永磁同步電機（permanent-magnetsynchronous motor，PMSM）永磁材料受外部磁場環境以及溫度變化的影響而導致失磁，降低電機控制性能，嚴重時電機可能直接報廢。針對PMSM受失磁影響而導致控制精度降低的問題，國內外許多學者開展了大量研究工作，文獻[1】在電機轉速恒定時，利用RLS算法對四個電氣參數進行辨識，文獻[2】在神經網絡在線辨識算法中結合最小均方值收斂辨識出電感磁鏈等參數，文獻[3】把離線估算出的定子電阻用于神經網絡辨識器，對轉子磁鏈等參數進行在線辨識，然后利用在線辨識的參數進一步更新定子電阻值，由于存在離線辨識導致該方法難以滿足實時性要求過高工況，文獻[4】采用多智能體蝙蝠算法對永磁同步電機多個參數進行辨識。文獻[5-6】為了過濾掉辨識過程中噪聲信號，采用擴展的卡爾曼濾波器辨識電機參數，但計算過程較為復雜。文獻[7]剖析欠秩問題的本質，通過自適應律得到永磁同步電機的速度和永磁磁鏈。

永磁同步電機運行時永磁磁鏈受到外部環境的影響而發生變化，從而導致永磁磁鏈發生失磁，進而影響到滑模調速控制性能。文獻[8】基于指數趨近律進行滑模調速控制，改善了永磁同步電機控制性能。文獻[9】利用積分滑模改善速度環控制，得到一定的效果。文獻[10】采用的新型趨近律與分數階控制相結合設計速度控制器以減小系統的抖動性。

針對傳統速度調節方法沒有考慮到永磁磁鏈變化對永磁同步電機帶負載能力的影響。本文利用滑模變結構控制與龍伯格控制器相結合的方法對永磁磁鏈進行重構，重構參數反饋到速度環中進行調節，進而保證發生失磁工況時永磁同步電機的帶負載能力。通過仿真對該方法的可行性進行驗證。

1PMSM數學模型

在同步旋轉d-q坐標系下PMSM的電壓方程為：

仿真在電機失磁工況下進行，磁鏈在0.1 s時，由0.175 Wb變為0.150 Wb。

為了驗證所構造的磁鏈觀測器的魯棒性，分別在PI調速控制和滑模調速控制兩種情況下運行，且在0.08 s時，電機速度由300 rad/s加速到380 rad/s。仿真結果如圖2（a）、圖2（b），結果顯示在兩種控制下，設計的觀測器能很好地跟蹤目標參數，魯棒性較好。

圖3是PI調速控制下iq軸電流、電磁轉矩以及轉速響應時間曲線。圖4是滑模調速控制下iq軸電流、電磁轉矩以及轉速響應時間曲線。由圖3（a）、3（b）和圖4（a）、4（b）可以看出，分別在0.05 s和0.1 s時，負載轉矩由0N.m突加為2 N.m、永磁體磁鏈發生失磁時，PI調速控制下，‘軸電流以及電磁轉矩響應較慢。由圖3（c）、4（c）可知滑模控制下，轉速可以快速響應。由圖（3）、圖（4）知，當發生失磁工況時，應及時觀測出磁鏈，并反饋到速度環，以保證電機帶負載能力不變，仿真結果表明，磁鏈觀測器具有較高的魯棒性，以及在失磁工況下滑模調速控制具有明顯優越性。

4結論

本文提出了永磁同步電機新型狀態方程模型與滑模變結構以及龍伯格觀測器相結合方式，隔開了電機速度對觀測器誤差方程的影響，給出磁鏈參數觀測值，然后把觀測所得觀測值反饋到滑模調速控制中，以保證電機快速響應。魯棒性強.滑模變結構觀測器參數易于選擇。仿真結果對該方法的可行性進行了驗證。