基于降阶负载扰动观测器的永磁同步电机控制

2016年 第15期Science and Technology & Innovation┃科技与创新

文章编号：2095－6835（2016）15－0065－02

基于降阶负载扰动观测器的永磁同步电机控制

许彦卿

（东南大学，江苏 南京 210096）

摘 要：随着我国科学技术的不断发展，对永磁同步电机的研究也越来越深入，它不仅能够精确的应用于特种机器人的操作系统中，还能够运用于数控机床的操作中，是一项十分重要的科学技术发明。针对永磁同步电机的工作原理、主要方式、特点、应用范围和关于永磁同步电机防止干扰的观测器的应用等内容，具体阐述了如何控制基于降价负载扰动观测器的永磁同步电机。

关键词：降价运载；扰动观测器；永磁同步电机；励磁电流

中图分类号：TM341 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.065

之外，大家还应该了解的一点就是多台发动机同时运行的情况。一般来讲，不管是多少台发动机同时工作，励磁电流的调节装置都会合理、有效的分配电流。这样一来，就大大保证了永磁同步电机电力系统的长期有效运行，既稳定，效率又高。 1.2 励磁电流的工作原理

一般来讲，永磁同步电机就是利用励磁电流进行能量转换。这里主要分析励磁电流的工作原理，即先了解励磁电流的电力来源。通常情况下，励磁电流中的电流主要是由经过降压的励磁变压器和整流之后的可控硅整流器的发电机提供的。而励磁电流自动稳定电压的功能主要是由调节器来保障的。这是因为励磁电流的调节装置能够将各种信号经过一系统的转换、处理之后合并，以提高励磁电流系统的稳定性，保障永磁同步电机电力的稳定性和安全性。

1.3 励磁电流的主要利用方式

永磁同步电机励磁电流的利用或者说是获取方式不止一种，其实也不外乎是直流电和交流电这两种主要方式。下面，笔者简要介绍一下其获取励磁电流的方式。

从我国目前的情况看，虽然永磁同步电机能够应用于很多的专业领域，但是，不得不承认的是，在具体应用方面，它仍然会受到干扰，从而降低其工作效率。所以，如何合理、有效地控制永磁同步电机，使其不再受到干扰成为了我国科学家和相关人员应当率先思考的问题。 1 永磁同步电机的介绍

要想对永磁同步电机进行干扰控制，使其能够更好地为人们服务，就要先了解它。下面，笔者从永磁同步电机的定义出发，分析了一些关于永磁同步电机的工作原理以及它的特点和应用范围。 1.1 永磁同步电机的定义

所谓“永磁同步电机”，是指同步发电机利用一个由励磁电流而产生的直流磁场进行能量转换的一种电力发动机。这里的励磁电流说的就是类似于拥有南北极电磁铁的一个转子所产生的.com.cn. All Rights Reserved.直流电压。简单地说，永磁同步电机就是一个进行能量转换的电力发电机，只是运用原理与普通的发电机有所不同。另外，当永磁同步电机执行运转工作时，会有一个专用的励磁调节器调整发电机的端电压，以此保证永磁同步电机的正常、稳定运行。除此 用了开关量料位计和连续性的料位计，开关型的料位计选用射频导纳作为高料位，选用水银料位作为超高料位，连续性料位计选用智能雷达料位计来实时监控筒仓内料位的高度。

图2 筒仓内部温度测点的布置

4 结束语

储煤筒仓惰化监控系统由上位机、下位机控制器、现场设备和控制程序组成。本文探讨了设备的选型和设备的控制工艺，在长兴电厂已安装的筒仓惰化监测系统可实现上层设备对下层设备的监测和控制，保障了筒仓储煤的安全、有效进行。上位

机可根据控制系统选择工控机，下位机控制器可根据系统点位和冗余配置，并采用了ControlLogix系列控制器，通过以太网连接，可实现上位机对控制器的访问和控制。制氮系统是筒仓惰化保护的气体来源，主要包含空压机、空气储气罐、冷干机和制氮机等，控制器与制氮系统之间通过硬接线连接，可实现控制器对制氮系统数据的收集和控制。

现场设备是监控系统的触角和执行器，现场设备包括温度传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、烟雾传感器、防爆门、料位计和电动球阀等。长兴电厂的现场设备通过硬接线和通讯两种方式连接控制器系统，很好地实现了控制器对设备的监测和控制。 参考文献

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〔编辑：张思楠〕

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科技与创新┃Science and Technology & Innovation

2016年 第15期 1.3.1 通过直流发电机获取

不管是直流电的获取还是交流电的获取，励磁电流都有自己专用的发电机。其中，获取电力的直流发电机又被称为直流励磁机。虽然发电机工作的具体原理是相同的，但是，不得不说，励磁直流机的电力获取方式还是有所不同的，它主要是通过大轴和固定的配置获取直流电。这样一来，尽管有一些小缺陷，比如，减慢永磁同步电机工作过程中调节电流的速度，减少不利于设备日常工作的一些维修工作等。但是，也不能否认这种获取电力方式的优点，它不仅可靠，更重要的是比较独立，必须了解测量现场的具体情况，以免出现误差。 2.2 抗拒降阶负载的干扰的测试

通过一系列的数据和模拟实验不难发现，永磁同步电机在面对相同的负载条件而仅仅是改变它的转子距离的情况下，永磁同步电机受到的干扰是不同的。在实验过程中，不同设备的运转速度波形是大不相同的，而且还是突然性的。一般来说，在确定了永磁同步电机的转速标值时，仿真波形不是突然增加就是突然减少，但是，总体来说，还是增加的百分比更大。所以，如果想要控制永磁同步电机，使其尽量不受到干扰，最好可以减少电力的消耗量等。 1.3.2 通过交流发电机获取

与直流励磁机一样，励磁专用的交流发电机被称为交流励磁机。同样，它也是通过安装在内部的大轴和其他的相关配置来获取电力的。与直流励磁机不同的是，交流励磁机相对来说是偏向于静止的工作方式。而交流励磁机的缺点也是不可掩盖的，比如说会发出比较大的噪声，影响人们的生活，但是，它的优势同样也是不能忽视的，不仅简单、易操作，还具有较高的可靠性。

除了上述两种大家都知道的直流励磁机和交流励磁机外，永磁同步电机的励磁电流获取方式还有一种比较隐秘的方式——不利用专门的励磁设备获取电流。这种手法也被称为自励式静止励磁。当然，这种获取电力的方式也有它的优点，最主要的优点就是结构简单，成本比较低。 1.4 永磁同步电机的工作特点及其应用 1.4.1 永磁同步电机的工作特点

永磁同步电机工作时有其他发电机所没有的优点，具体表现在电压的调节、无功功率的调节和无功负荷的分配等方面。这三部分是相辅相成、共同作用的。电压的调节是根据无功负

荷电流运转工作的，而在发电机改变时，无功功率也会随着电

流的变化而变化。这时，就需要调节励磁电流，以此保障永磁同步电机的稳定性。除此之外，在分配无功负荷时，也应该保持电流的稳定性，并且在永磁同步电机自动运转工作时，要调节励磁装置，以保证无功负荷分配的合理性和安全性。 1.4.2 永磁同步电机的具体应用

因为永磁同步电机具有其他设备不曾有的特点，所以，在我国，其应用范围非常广。它除了应用于农业机械化操作中，还在机器人等高精密度的设计方面发挥了很大的作用。根据永磁同步电机的不同性能，可以对其应用领域分类，主要可以分为以下3类：①在工农业生产中运用定速驱动设备。这类设备主要是利用永磁同步电机的特点设计风机、泵和普通机床等。②运用于工作机械的调速驱动设备中。这类设备最大的特点就是能够维持一定的速度，使应用永磁同步电机的设备单方向运动。③最后一类就比较复杂了，主要是应用于精密度比较高的电子科学领域的驱动控制，比如，自动化的工业操作系统和电子信息技术方面。应用永磁同步电机，不仅能提高其运行速度，还能延长设备的使用寿命。

2 设计工序和基于降阶负载扰动观测器的控制措施 2.1 相关数据和设计的物理名词

永磁同步电机的基本计算模形是通过一系列的物理计算公式计算和推导的。这些计算公式分别用于计算相关电流在不同的直轴或者偏轴上的电压分配情况，并与表达转速的偏导计算公式连立。在具体的计算公式中，按照国际标准，不同的字母代表不同的数值。其中，电流采用的是国际上通用的安培物理代表量，主要的计算数据包括电枢电阻、电机转子的位置、永磁转子的磁链、电机转动惯量和摩擦系数等。根据这些数值就可以推断出永磁同步电机的同步速度。除此之外，为了更加具体、详细地观测负载转子的距离，不仅需要知道转动惯量，还·66·

的办法就是减缓它的转子动态降速，具体可以采用负载补偿的手法。这样一来，不仅能够缩短相应的时间，还能够有效控制永磁同步电机受到干扰的程度。 3 滑模变结构控制

滑模变结构控制是一种在给定超平面上采用不同结构控制，将系统状态向量约束在开关面内滑动的控制方法。一旦进入滑模状态，系统状态的转移就不受原来参数的变化和扰动的影响。因此，对系统摄动和外部扰动在一定条件下具有很强的鲁棒性。

4 无传感器控制

永磁同步电机无速度传感器控制方法大体可以分为2类，它们各有优缺点，适用于不同的场合。 4.1 基于电机理想模型的开环计算方法

基于电机理想模型的开环计算方法过程简单，动态响应迅速。它主要包括直接计算法、基于电感变化的估算方法、反电动势积分法和扩展反电动势法等。这类方法很容易受到参数的不确定性和测量噪声的影响，而且算法不稳定，一般不采用。 4.2 基于各种观测器模型的闭环算法

由于闭环算法中引入了反馈校正环节，有效保证了算法的收敛性，观测器对参数变化的鲁棒性也比较好。这些适用于高速运行的无传感器控制技术都是直接或间接的从反电势中提取位置信号，利用电机的电压方程计算出所感应的电动势来估计转子位置的。由于反电势幅值与速度成正比，当转速很低甚至到零速时，反电动势的信噪比小，再加上其他干扰因素，不能精确地估算转子的速度和位置。 5 结束语

综上所述，虽然永磁同步电机的运行会受到一些因素的干扰，影响其工作效率，但是，也是有办法可以弥补的。而且，永磁同步电机的应用范围十分广，能进一步推动我国科学技术的发展。 参考文献

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