每日文献【2020|005】基于滑模观测器的永磁同步电机电流偏差解耦控制

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概述

为解决传统电压前馈解耦控制对电机参数敏感、抗扰性差的问题，该文提出一种基于滑模观测器的电流偏差解耦控制方法。通过计算偏差解耦控制电流的耦合项，发现相对于传统电压前馈解耦，偏差解耦的耦合项简单且易于控制，解决了传统电压前馈解耦控制解耦效果不理想的问题。通过电流滑模观测器的跟踪特性，将定子电流的估计值作为状态变量，反馈到系统输入端，用以补偿定子电流误差值。该方法不仅对电流环实现更好的补偿控制，还实现d、q 轴电流完全解耦，保证系统动态响应速度，提高了系统的抗扰性。

 

研究背景

PMSM 采用空间矢量控制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）后，经过坐标变换交、直轴电压平衡方程之间虽实现了静态解耦，但并没有消除动态耦合项，在电机高速运行时这一耦合项会严重影响交、直轴之间的独立控制，使系统控制效果变差，且在电感参数变化时的动态过程中表现尤其明显。因此有必要对d、q 轴电流进行解耦处理。

传统的电压前馈解耦控制（Voltage Feed-forward Decoupling Control, VFDC）利用反馈电流和转速计算出耦合部分并补偿至交、直轴的电压，实现了电压的完全解耦控制。但它对电机参数有很强的依赖性，在系统低开关频率运行时，性能稳定性不足。

 

基于内模控制原理的电流解耦控制本质上是VFDC，解耦效果较理想，对参数摄动具有较强的鲁棒性。但系统调节过程中会出现振荡现象。

基于偏差电流计算前馈电压解耦控制策略是内模控制方法的一种演变，不过同样存在内模控制的不足。

复矢量电流调节器能消除d、q 轴电流耦合，动态性能较好，但对外部扰动鲁棒性较弱。

 

电流偏差解耦控制

电流偏差解耦将控制电流的给定值和反馈值的偏差生成调节电压，叠加在电流PI 控制器生成的给定电压上，从而抵消id 和iq之间的耦合量，完全解除了id 和iq 之间的耦合。控制器框图如下图所示，图中，除电流PI 控制器传递函数G1(s)、G2 (s)外，还需要偏差解耦控制器G3 (s)和G4 (s)。

等效电流偏差解耦控制框图如下：

 

电流滑模观测器

由于电机运行情况改变，电机参数发生变化及干扰等不确定因素发生，电流偏差解耦控制无法很好地完全补偿解耦。本文通过设计一个电流滑模观测器，估计定子电流估计值ˆid 和ˆiq，对电流实行更好的补偿控制。系统电流滑模观测器的结构框图如下，f1、f2为电流滑模观测器控制律。

 

控制框图

永磁同步电机控制系统框图中控制器主要由速度控制器、电流控制器、滑模观测器、Park 变换器、Park 逆变换器、Clarke 变换器、SVPWM 模块、转子位置和速度检测模块、以及永磁同步电机环节组成。其中，电流控制器采用电流偏差解耦控制器，通过计算给定与反馈的误差，求出直接量和耦合量作为前馈给交、直轴电压输入。同时将电流滑模观测器观测值ˆid 和ˆiq前馈补偿至电流偏差解耦控制器输出端。

 

结论

本文提出一种基于滑模观测器的永磁同步电机电流偏差解耦控制的方法。电流偏差解耦控制利用d、q 轴空间状态方程，构造其耦合项多项式，有效降低了d、q 轴电流间相互影响。利用滑模观测器对定子电流的跟踪特性，将定子电流的观测值反馈到系统输入端，用以补偿电流误差值，解决了偏差解耦控制与被控对象失配条件下，d、q 轴之间仍有耦合项，解耦补偿不完全的现象。

 

文献 |

刘宇博，王旭东，周 凯

基于滑模观测器的永磁同步电机电流偏差解耦控制

电工技术学报