表贴式永磁同步电机转速环复合PI无位置传感器控制
针对传统永磁同步电机转速环PI控制下转速跟踪性能差的问题，江苏科技大学电子信息学院、江苏舾普泰克自动化科技有限公司的研究人员李垣江、董鑫、魏海峰、张懿、李可礼，在2020年第10期《电工技术学报》上撰文，设计一种复合PI无位置传感器，应用于表贴式永磁同步电机转速环控制系统。
在传统PI控制的基础上，转速环采用积分钳位型抗积分饱和方法，增加给定输入微分前馈环节和控制增益环节，增强转速环系统跟踪响应性能。分析无阻尼自然频率和阻尼比两者参数选取，对系统转矩扰动和角速度测量噪声抑制能力的影响，证明系统抗转矩扰动性能与抑制噪声性能之间存在矛盾。针对该问题，设计以电机转子角速度为状态变量的新型滑模观测器对角速度进行观测，将其直接引入至转速闭环系统反馈，避免角速度反馈噪声对转速跟踪性能造成影响。
永磁同步电机因功率密度高、运行可靠等优点被广泛应用于诸多工业领域，在其控制算法中，PI控制因结构简单、算法易实现而占据主导地位。然而，永磁同步电机具有多变量、非线性、强耦合的特点，并且在其运行过程中，负载转矩实时变化，传统的PI控制技术已无法满足工业自动化对时变转速实时跟踪性和鲁棒性的要求。与此同时，转速闭环系统中，实际转速反馈大多通过对位置传感器检测的转子机械角度进行微分来间接获取。
该方法存在三大弊端：①使用位置传感器增大了电机体积，提高了成本；②复杂环境下位置传感器易出现故障，系统可靠性降低；③位置传感器检测的转子机械角度存在量化误差，使得对其微分得到的实际转速反馈存在测量噪声，影响闭环系统的跟踪性能。因此，需摒弃位置传感器的使用，增强闭环系统转速反馈的准确性。
为实现永磁同步电机高性能控制，其控制系统内的转速外环和电流内环均需对其相应指令实时跟踪，并且对外部干扰具备较强的鲁棒性。由于电流内环系统跟踪性能只与电机内部参数有关，与外部负载扰动无关，往往需通过精确数学模型计算输出电压给定即可达到良好的电流跟踪效果，因此实际工程应用中，电流环参数一旦确定，则适用于各种工况场合，参数无需二次调整。
而对于转速外环系统，会受到时变转速给定和时变负载等不确定性外部扰动，要达到转速实时跟踪目的较为困难，其控制方法主要包括PI控制、滑模控制、内模控制、自抗扰控制以及二自由度控制等。实际永磁同步电机高性能调速系统中，控制策略仍然以PI控制为主。对于PI控制，其参数整定对于系统跟踪性能和抗扰性能至关重要。
江苏科技大学电子信息学院、江苏舾普泰克自动化科技有限公司的研究人员，针对传统永磁同步电机转速环PI控制下转速跟踪性能差的问题，设计了一种复合PI控制器应用于表贴式永磁同步电机（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM）转速环控制系统。
图1 表贴式永磁同步电机转速环复合PI无位置传感器控制系统结构
在传统PI控制的基础上，转速环采用积分钳位型抗积分饱和方法，增加给定输入微分前馈环节和控制增益环节，简化PI参数整定过程，增强转速环系统跟踪响应性能。在此基础上，分析无阻尼自然频率和阻尼比两者参数选取对系统转矩扰动和角速度测量噪声抑制能力的影响，证明系统抗转矩扰动性能与抑制噪声性能之间存在矛盾，需摒弃位置传感器。当前无位置传感器控制大多首先通过滑模观测器观测到电机两相静止坐标系下的反电动势，对其反正切处理以间接获得转子位置和转速。
该方法通过两相反电动势间接计算转子位置以及转速，同样避免不了反馈噪声的影响。针对该问题，研究人员设计以电机转子机械角速度为直接状态变量的新型滑模观测器，对角速度值进行观测，将其直接引入至转速环闭环系统作为反馈，避免角速度反馈噪声对转速跟踪性能造成影响。
图2 实验平台
研究人员以750W表贴式永磁同步电机为实验对象，对转速环复合PI无位置传感器控制策略下的相应实验波形进行分析研究，实验结果验证了时变输入下复合PI控制相对于传统PI控制优良的跟踪性能，新型控制策略对于转矩扰动和转速扰动有着较强的鲁棒性。另外，考虑到该控制策略目前只能应用于表贴式永磁同步电机，下一步将重点研究控制策略的普及化以及工程化问题，以期实现其实际工程应用。