姜曉奇 , 劉維亭, 魏海峰 , 張 懿

基于全階狀態(tài)滑模觀測器的混合永磁記憶電機(jī)磁鏈觀測

姜曉奇1,2, 劉維亭1, 魏海峰1,2, 張 懿1,2

(1. 江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江, 212003; 2. 常熟瑞特電氣股份有限公司, 江蘇 蘇州, 215500)

由于混合永磁記憶電機(jī)(HPMMM)永磁體在線充磁與去磁時轉(zhuǎn)子磁鏈定向難度大, 針對HPMMM永磁體在線調(diào)磁時磁鏈觀測精度不高的問題, 提出了一種基于全階狀態(tài)滑模觀測器的混合磁鏈觀測方法。該方法采用全階磁鏈觀測器并結(jié)合滑模反饋部分保證電流觀測值收斂于真實值, 同時對HPMMM定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈實時觀測，進(jìn)而獲得更高精度的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測。全階狀態(tài)滑膜觀測器應(yīng)用于HPMMM矢量控制策略中, 優(yōu)化了系統(tǒng)整體控制復(fù)雜程度。最后通過仿真對比分析, 相比傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)而言, HPMMM調(diào)速范圍更寬, 交直軸電流波動較小, 收斂于實際磁鏈速度更快, 表明該方法能進(jìn)一步提高交流脈沖對HPMMM充磁和去磁時磁場定向的準(zhǔn)確性, 增加系統(tǒng)參數(shù)魯棒性、穩(wěn)定性。

混合永磁記憶電機(jī); 在線調(diào)磁; 全階狀態(tài)滑模觀測器; 滑模反饋; 磁場定向

0 引言

近年來, 我國對海洋開發(fā)與海洋安全重視程度不斷上升, 水下無人智能裝置的研究成為當(dāng)前熱點。在水下電力推進(jìn)裝置中, 對水下特種推進(jìn)電機(jī)選擇要求更高, 混合永磁記憶電機(jī)(hybrid permanent magnet memory machine, HPMMM)采用釹鐵硼和鋁鎳鈷混合勵磁, 既具有轉(zhuǎn)矩和功率密度高的優(yōu)點, 又具有永磁磁通在線可調(diào)的特點, 可滿足水下復(fù)雜環(huán)境中對水下航行動力的需求[1-3]。HPMMM定子與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor, PMSM)相同, 轉(zhuǎn)子利用鋁鎳鈷永磁體的高剩磁、低矯頑力特性。在三相定子電樞繞組中輸入一個特定脈沖電流, 使得轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生一個能夠瞬間改變鋁鎳鈷永磁體磁化水平的強(qiáng)磁場, 達(dá)到改變氣隙磁場的目的[4-6]。由于海洋環(huán)境惡劣, 為保障水下HPMMM在推進(jìn)與控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行, 對HPMMM精準(zhǔn)控制的研究受到越來越多關(guān)注。

為了更加精確地控制電機(jī), 實現(xiàn)氣隙磁場的調(diào)節(jié), 減少電勵磁損耗, 簡單高效地實現(xiàn)在線調(diào)磁, 解決調(diào)速范圍受限問題, 國內(nèi)外研究者提出采用具有高矯頑力特性的釹鐵硼與具有高剩磁特性的鋁鎳鈷相結(jié)合, 作為HPMMM的永磁體, 再施加脈沖電流進(jìn)行調(diào)磁[7-8]。這種特殊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子可對永磁體進(jìn)行在線充去磁, 而且?guī)缀鯖]有勵磁損耗。但氣隙磁通的檢測與調(diào)節(jié)難度較大, 對HPMMM施加調(diào)磁脈沖來控制氣隙磁通的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子磁鏈定向識別的問題[9-11]。吳文進(jìn)等[12]在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下采用全階磁鏈觀測器估算電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈, 并采用歐拉法進(jìn)行離散化分析來克服離散化誤差大的缺點, 但該算法在線辨識磁鏈精度不高。蔣林等[13]提出一種模糊自適應(yīng)控制全階磁鏈觀測算法, 仿真結(jié)果表明在滿足系統(tǒng)自適應(yīng)性和魯棒性條件下提高了轉(zhuǎn)速辨識精度, 不過僅限于低速范圍穩(wěn)定運(yùn)行, 中高速范圍運(yùn)行缺乏進(jìn)一步驗證。針對系統(tǒng)高魯棒性與寬范圍調(diào)速, 車海軍等[14]引入3階巴特沃思濾波器并采取改進(jìn)的模糊比例積分(proportional integral, PI)代替之前的控制器, 消除掉輸入信號的雜質(zhì), 提高轉(zhuǎn)速在線辨識精度; 韋文祥等[15]將閉環(huán)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器(closed loop extended-state- observer, CESO)模型中不確定部分進(jìn)行狀態(tài)擴(kuò)展并反饋補(bǔ)償, 能在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速, 在線辨識磁鏈, 但以上2種方案對電機(jī)參數(shù)要求較高, 系統(tǒng)魯棒性不高, 不能滿足水下復(fù)雜條件對推進(jìn)電機(jī)的需求。楊公德等[16]對混合永磁磁通切換記憶電機(jī)采用分區(qū)控制, 低、高速區(qū)采用不同控制方式, 雖拓寬了電機(jī)調(diào)速范圍, 但控制方式過于復(fù)雜, 對高、低速沒有明確區(qū)分, 實用性不強(qiáng)。

文中針對HPMMM分析其調(diào)磁原理并推導(dǎo)電磁性數(shù)學(xué)模型, 提出了一種適用于水下電力推進(jìn)與控制的新型觀測算法。該算法基于觀測精度較高的全階磁鏈觀測器并結(jié)合魯棒性較強(qiáng)的滑模反饋環(huán)節(jié), 實現(xiàn)在線調(diào)磁, 使電機(jī)的磁鏈觀測具有更好的穩(wěn)態(tài)性和收斂性, 優(yōu)化了HPMMM負(fù)載突變時系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。最后, 采用Matlab/ Simulink對磁鏈觀測系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究與分析, 驗證了該方法的可行性和實用性。

1 HPMMM調(diào)磁原理

HPMMM的永磁體采用6極的V形結(jié)構(gòu), 如圖1所示, 該結(jié)構(gòu)對聚磁有明顯作用, 在中間氣隙部分可得到較大的磁場。

采用相對保留時間值（待測成分與內(nèi)參物保留時間之比）對KC中各待測成分色譜峰進(jìn)行定位，以金絲桃苷的保留時間計算朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷I的相對保留時間，各成分的相對保留時間分別為1.212 0、1.259 3、1.291 3、1.392 5、2.093 6、2.195 6、2.769 9、3.091 3、3.417 7；各成分的RSD值分別為0.27%、0.31%、0.34%、0.37%、0.30%、1.03%、0.32%、0.28%、0.29%，相對保留時間規(guī)定值RSD在5%范圍之內(nèi)，表明相對穩(wěn)定，可用于色譜峰的定位。

圖1 HPMMM結(jié)構(gòu)

HPMMM永磁體中采用隔磁橋增大了交軸方向磁阻, 減小了交軸方向電感, 使電機(jī)運(yùn)行中直軸方向的氣隙磁場受交軸方向電樞反應(yīng)而被極大削弱。當(dāng)施加正向調(diào)磁脈沖電流時, 鋁鎳鈷和釹鐵硼混合永磁體會共同作用, 最終將混合磁通推向三相繞組, 使得產(chǎn)生的氣隙主磁通得到加強(qiáng); 施加反向調(diào)磁脈沖電流時, 鋁鎳鈷和釹鐵硼混合永磁體會共同作用, 最終將混合磁通推向永磁體內(nèi)部, 削弱內(nèi)部磁場, 達(dá)到弱磁的目的。

圖2為HPMMM驅(qū)動控制系統(tǒng)原理框圖。根據(jù)光電編碼器與速度PI環(huán)得出電機(jī)速度反饋需求, 調(diào)磁電流分配控制器與可控調(diào)磁電流變量作用于調(diào)磁電流控制器。調(diào)磁電流控制器與調(diào)磁電流變換器共同對調(diào)磁電流進(jìn)行控制與調(diào)節(jié), 產(chǎn)生可控調(diào)磁電流變量, 實現(xiàn)了在線調(diào)磁的目的, 增強(qiáng)了系統(tǒng)靈活性。

圖2 HPMMM調(diào)磁原理框圖

2 HPMMM數(shù)學(xué)模型

根據(jù)廣義滑模可達(dá)條件定義李亞普諾夫函數(shù)為

磁鏈方程

當(dāng)調(diào)磁脈沖消失后, HPMMM可以等效為一臺傳統(tǒng)PMSM, 此時得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下狀態(tài)方程

(1)虛擬水戰(zhàn)略對水資源消費(fèi)的影響。通過實施虛擬水戰(zhàn)略可以減少新疆的農(nóng)業(yè)用水量，情景B對棉花水資源消費(fèi)影響最大，提高單產(chǎn)后2020年與2025年棉花水資源消費(fèi)分別減少62. 23億m3、72. 21億m3，情景E對種植業(yè)水資源消費(fèi)影響最大，調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)與采用高效節(jié)水技術(shù)后2020年與2025年種植業(yè)水資源消費(fèi)分別減少87. 52億m3、115億m3。

3 全階狀態(tài)滑模觀測器

3.1 全階狀態(tài)磁鏈觀測器

法軍重振精神，1914年9月8日，新增援軍投入全線戰(zhàn)斗。9月9日，德軍開始動搖、敗退。出租車司機(jī)們苦戰(zhàn)兩天兩夜。在加利埃尼的指揮下，他們奮勇前進(jìn)，終于在石油的參與下拯救了巴黎。

式中, 系數(shù)為反饋增益矩陣。對的選取, 一方面需保證觀測值的收斂足夠快; 另一方面, 需盡量讓系統(tǒng)構(gòu)造簡單, 減小算法復(fù)雜程度; 符號“＾”代表估計值。選擇系數(shù)

真是呆子！有啥法？他早就是豬八戒了，我可得見機(jī)行事。于是，我搬把椅子坐到窗前，巴克夏把燈關(guān)了，坐在椅背上，挽挽袖子，露出躍躍欲試的架式。

（五）能力素質(zhì)不夠過硬。從運(yùn)行情況看，雖然多數(shù)同志工作熱情很高，經(jīng)常加班加點，但工作難推動、效率比較低、質(zhì)量不夠高的現(xiàn)象還不同程度存在，主要原因是自身能力素質(zhì)不夠過硬，與新體制新任務(wù)不相適應(yīng)。有的能力提升不快，缺乏本領(lǐng)恐慌意識，滿足于“差不多”“過得去”，吃老本、憑經(jīng)驗，對新知識新技能學(xué)習(xí)不夠，對新標(biāo)準(zhǔn)新要求掌握不多，跟不上形勢，打不開思路。有的業(yè)務(wù)素質(zhì)不夠全面，缺乏一專多能，尤其是新交流到省軍區(qū)的干部，來源多樣、成分復(fù)雜、素質(zhì)各異，大都是國防動員工作的“新手”，實踐經(jīng)驗相對不足，短期內(nèi)難以打開工作局面，等等。

計算得到

3.2 全階狀態(tài)滑模磁鏈觀測器

為了進(jìn)一步增強(qiáng)全階磁鏈觀測器對檢測變量變化的敏感程度, 選擇將滑模觀測器的滑模反饋融入其中, 形成新型全階磁鏈觀測器, 提高了全階狀態(tài)滑模觀測器對檢測參數(shù)的敏感度和魯棒性。

根據(jù)式(3)狀態(tài)方程以及相關(guān)觀測器知識, 對定子電流觀測值和實際值進(jìn)行比較, 構(gòu)造出全階狀態(tài)觀測器為

對Abaqus中的經(jīng)典庫倫摩擦模型進(jìn)行了研究和模擬，證實了Abaqus的經(jīng)典庫倫摩擦模型可以很好地模擬樹根拔出的前峰值階段和峰值階段，然而基本不能對后峰值階段進(jìn)行修正[5]。

全階狀態(tài)滑模觀測器構(gòu)建為

從中央、省委到地方巡視組在巡視反饋意見中不難發(fā)現(xiàn)，個別職業(yè)院校黨委對意識形態(tài)工作思想上不夠重視，對當(dāng)前意識形態(tài)領(lǐng)域斗爭的復(fù)雜性認(rèn)知不足，敏銳性不夠，工作責(zé)任制落實不到位。有的院校認(rèn)為意識形態(tài)工作比較“虛”，想要抓卻不知從何抓起，想要落在實處又欠缺工作經(jīng)驗，片面認(rèn)為宣傳部門牽頭主抓這項工作就可以了，沒有擺到學(xué)校全局去謀劃，缺少專題研究和專項工作部署。

可得出轉(zhuǎn)子磁鏈觀測值為

對于全階滑模觀測器系統(tǒng), 式(8)可改寫為

在保證剪葉器工作效率不低于120盤/h，即表中時間不高于30s的情況下，集葉率最高的為效果最好的，其R值即為設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。從表1中看出，選定的R值應(yīng)為82mm。

電壓方程

高潮摸了摸自己的包，心里說，吳限的手機(jī)在這里呢，老子是雙槍。干這個擺不到桌面上的勾當(dāng)，不能像狡猾的兔子一樣有仨窩，也總得準(zhǔn)備倆吧？

為全面深入地考核田陳煤礦選煤廠兩段濃縮、兩段回收工藝，于2012年1月5日進(jìn)行了工業(yè)性試驗。浮選尾煤和中煤、矸石磁選機(jī)尾礦是尾煤泥系統(tǒng)的入料，其粒度組成見表1。

用式(11)與式(10)相減, 得到估算電流誤差的動態(tài)方程

綜上所述, 可得全階狀態(tài)滑模觀測器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。HPMMM永磁磁鏈觀測器法利用電壓、電流及轉(zhuǎn)速信號可在線觀測永磁磁鏈, 有利于達(dá)到控制電機(jī)在線調(diào)磁的目的。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗證文中提出的全階狀態(tài)滑模磁鏈觀測器對HPMMM磁鏈觀測精度高, 系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)的控制效果。根據(jù)HPMMM的特點構(gòu)造含有全階滑模磁鏈觀測器的控制系統(tǒng)?；贛atlab/Simulink仿真搭建了含有全階狀態(tài)滑模磁鏈觀測器的控制系統(tǒng)模型, 系統(tǒng)整體仿真模型框圖如圖4所示。

①術(shù)語詞匯不熟悉：觀看雜技表演時，一位劇團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)介紹道：“我們的孩子都練童子功，有的從3、4歲就開始翻跟頭、下腰、劈叉了?！币驗槭乾F(xiàn)場臨時的發(fā)言，筆者對此并未提前準(zhǔn)備，翻譯“童子功”時采用了解釋說明的方式，譯為skills trained from a young age，將“翻跟頭、下腰、劈叉”概括譯為some professional and difficult actions.

選擇HPMMM與傳統(tǒng)PMSM進(jìn)行對比, 初始參數(shù)配置相同, 其定子三相均為Y接, HPMMM設(shè)定參數(shù)如表1所示。為驗證文中提出的采用全階狀態(tài)滑模觀測器算法的可行性與穩(wěn)定性, 對傳統(tǒng)PMSM與HPMMM系統(tǒng)進(jìn)行仿真, 并且對結(jié)果進(jìn)行分析比較。

圖3 全階狀態(tài)滑模磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)整體仿真模型框圖

4.1 仿真結(jié)果

傳統(tǒng)PMSM初始給定負(fù)載設(shè)置為0 N·m, 由靜止起動到額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min后, 在0.2 s時刻給定負(fù)載突變?yōu)?0 N·m 時, 經(jīng)過約60 ms波動后, 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。圖5為該電機(jī)在0.2 s突加負(fù)載后的運(yùn)行特性曲線。

HPMMM電機(jī)設(shè)定從靜止起動至額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min啟動負(fù)載為2 N·m。穩(wěn)定運(yùn)行后, 在0.15 s時轉(zhuǎn)速給定值突變?yōu)? 200 r/min, 在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后。在0.3s時, 電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值再次突變?yōu)? 000 r/min, 電機(jī)轉(zhuǎn)速立刻下降到額定轉(zhuǎn)速, 系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速突變運(yùn)行特性曲線

4.2 仿真對比分析

由上述仿真結(jié)果可知, 采用全階狀態(tài)滑模觀測器辨識HPMMM轉(zhuǎn)速、交直軸電流和永磁體磁鏈參數(shù), 與傳統(tǒng)PMSM辨識所得參數(shù)進(jìn)行對比。在電機(jī)啟動后, HPMMM轉(zhuǎn)速收斂速度更快; 在穩(wěn)定運(yùn)行中, 可對其進(jìn)行突加負(fù)載, 由直軸電流方向發(fā)出調(diào)磁脈沖, 改變永磁體中鋁鎳鈷部分磁化水平, 達(dá)到調(diào)磁目的, 并且交直軸電流波動更小, 系統(tǒng)更穩(wěn)定; 在調(diào)磁后, 觀測器能快速收斂于變化后的磁鏈, 可得出系統(tǒng)魯棒性更好。

5 結(jié)束語

基于混合永磁磁鏈在線可調(diào)特性, 提出了全階狀態(tài)滑模觀測的控制策略。HPMMM用作水下特種推進(jìn)電機(jī)時, 具有高穩(wěn)定動力性能、寬范圍調(diào)速。為了驗證所提出策略的有效性, 通過仿真結(jié)果分析可知, 該觀測器滿足永磁體磁鏈在線調(diào)節(jié)性能, 具有更高精度的磁鏈觀測, 控制穩(wěn)定性更好。在水下電力推進(jìn)與控制中, HPMMM的在線調(diào)磁法使電機(jī)獲得更寬的恒功率速度范圍, 并且在調(diào)磁過程中幾乎沒有調(diào)磁損耗, 提高了電機(jī)運(yùn)行效率、減小能源消耗。

采用全階狀態(tài)滑模觀測器, 引入滑模反饋部分, 使電流觀測值更快收斂于真實值, 估測結(jié)果精度較高, 能在短時間內(nèi)完成動態(tài)響應(yīng), 反映出觀測器具有較好的抗干擾能力。在線實時觀測永磁體磁鏈, 有利于判斷HPMMM的調(diào)磁過程。

但是, 文中電機(jī)控制局限于仿真, 實際中通過施加脈沖電流調(diào)節(jié)永磁體磁化水平的策略, 可能會對系統(tǒng)造成明顯抖動, 并且會對電機(jī)絕緣有所影響, 后續(xù)工作中可對其進(jìn)行深入分析研究。

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Flux Linkage Observation of Hybrid Permanent Magnet Memory Machine Based on Full-Order State Sliding Mode Observer

JIANG Xiao-qi1,2, LIU Wei-ting1, WEI Hai-feng1,2, ZHANG Yi1,2

(1. School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2. Changshu Ruite Electric Co., Ltd, Suzhou 215500, China)

To improve the accuracy of flux linkage observation in on-line tuning of the hybrid permanent magnet memory machine(HPMMM), a hybrid flux linkage observation method of full-order state sliding mode observer is proposed. This method combines a full-order flux linkage observer with the feedback part of the sliding mode to ensure that the current observation converges to the true value. The HPMMM stator current and rotor flux linkage are observed in real time, and the rotor flux linkage observation is obtained with higher precision. The full-order sliding mode observer is applied to the vector control strategy of HPMMM for optimizing the overall control complexity of the system. Simulation shows that, compared with the traditional permanent magnet synchronous motor(PMSM), HPMMM has a wider speed range, smaller direct-axis and quadrature-axis current fluctuation, and faster speed of convergence to actual flux linkage, indicating that the proposed method can further improve the accuracy of the magnetic field orientation by AC pulse during magnetization and demagnetization of HPMMM and enhance the robustness and stability of the system parameters.

hybrid permanent magnet memory machine(HPMMM); on-line flux tuning; full-order state sliding mode observer; sliding mode feedback; magnetic field orientation

TJ630.1;TM351

A

2096-3920(2020)02-0194-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.012

2019-09-13;

2019-10-16.

國家自然科學(xué)基金項目(51977101); 江蘇省省重點研發(fā)計劃產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)重點項目(BE2018007); 江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目資助.

姜曉奇(1994-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為電氣傳動控制.

姜曉奇, 劉維亭, 魏海峰, 等. 基于全階狀態(tài)滑模觀測器的混合永磁記憶電機(jī)磁鏈觀測[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(2): 194-201.

(責(zé)任編輯: 許 妍)