永磁同步电机负载估计算法--滑模扰动观测器

一、原理介绍

为了进一步提高永磁同步电机的抗干扰性能,采用SMDO在线估计负载扰动,然后将估计的负载扰动作为前馈信号补偿速度控制器的输出

根据永磁同步电机的运动方程,可以建立滑模观测器的模型如下:

式中l2为观测器的反馈增益;usmo为SMC函数;ω为角速度的观测值;TL^为SMDO观测到的负载扰动

二、仿真模型

在MATLAB/simulink(软件版本为2024A)里面验证所提算法,搭建仿真。采用和实验中一致的控制周期1e-4,电机部分计算周期为1e-6。仿真模型如下所示:

仿真工况:电机空载零速启动,0s阶跃给定转速1000rpm,0.5s施加额定负载

2.1估计转矩与实际转矩

上图为采用不同的滑模增益下的估计负载转矩和实际负载转矩,可以看出滑模增益在允许范围内变化,均能实现对扰动的准确估计,但是由于滑模中开关函数的特性,会存在估计的速度和抖振之间的限制。滑模增益大,估计速度快,但是稳态抖振明显;滑模增益小,估计速度略慢,但是稳态波动明显优化

下面分别对比PI调节器、基于大增益SMDO负载扰动前馈的PI调节器、基于小增益SMDO负载扰动前馈的PI调节器

2.2转速

施加额定负载时,单PI调节器转速下降21rpm,采用大增益SMDO观测负载扰动的PI调节器转速下降10rpm,并且调节时间明显减小,采用小增益SMDO观测负载扰动的PI调节器转速下降18rpm

2.3电磁转矩

采用滑模扰动观测器观测负载扰动的PI调节器电磁转矩响应更快,有效改善了电机的抗扰性能。但大滑模增益会导致输出的电磁转矩波形变得明显

2.4三相电流

增加负载前馈的系统在施加阶跃负载时,电流变化更快,响应更灵敏。

可以得出结论,滑模扰动观测器可以迅速有效的估计负载扰动,并通过前馈环节明显改善了系统的抗负载扰动能力。滑模观测器只需配置两个参数,原理清晰,调节简单,稳定性好。在传统SMDO的基础之上,还可以通过升阶、优化开关函数等多种方式改善性能。


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