新工科背景下 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 實(shí)驗(yàn)研究

黃文濤，樊啟高，朱一昕，畢愷韜

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 江蘇 無錫 214122）

近年來，教育部大力推進(jìn)新工科建設(shè)，新工科教育成為我國建設(shè)教育強(qiáng)國的必由之路、戰(zhàn)略支撐和引領(lǐng)力量。在 “復(fù)旦共識(shí)” “天大行動(dòng)” “北京指南” 三部曲和教育部 “新工科改革研究項(xiàng)目” 立項(xiàng)的政策推動(dòng)下，我國工科人才培養(yǎng)正式邁入新一輪轉(zhuǎn)型升級(jí)和質(zhì)量提升階段[1]。

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 是電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的核心課程，其主要研究對(duì)象是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要內(nèi)容涉及電氣工程專業(yè)的幾乎所有主干課程，如 “數(shù)字電路” “電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)” “電力電子技術(shù)” 和 “自動(dòng)控制原理” 等[2]。隨著風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、電動(dòng)汽車等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科畢業(yè)生需求日益增大，同時(shí)對(duì)畢業(yè)生的專業(yè)水平和技能要求也越來越高，這也使得高校對(duì)于電機(jī)類課程教學(xué)的重視程度不斷提高。在新工科建設(shè)背景下，有必要對(duì) “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 教學(xué)和實(shí)驗(yàn)展開深入研究，以培養(yǎng)高素質(zhì)的電氣專業(yè)人才[3]。

長期以來， “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 課程以課堂教學(xué)為主，教師通過電子課件講解交直流電機(jī)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容開設(shè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)[4]。在這種教學(xué)模式下，學(xué)生以被動(dòng)學(xué)習(xí)為主，難以熟練掌握各類電機(jī)控制方法，而且實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺少探索性驗(yàn)證和創(chuàng)新性實(shí)踐，難以滿足新工科教育對(duì)于培養(yǎng)高質(zhì)量電氣人才的需求[5]。此外，把教學(xué)與科研結(jié)合，特別是把學(xué)科領(lǐng)域的前沿技術(shù)融入教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，使學(xué)生在掌握基本理論知識(shí)的同時(shí)了解學(xué)科動(dòng)態(tài)和實(shí)際應(yīng)用，這是當(dāng)前電氣工程專業(yè)的發(fā)展趨勢和必然需求。

為提升 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論性與實(shí)踐創(chuàng)新性，本文基于 “運(yùn)動(dòng)控制” 中的磁場定向控制策略，以三相永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）無位置傳感器控制技術(shù)為例，利用I/F方法和滑模觀測器（Sliding Mode Observer,SMO），提出一種適用于全速域運(yùn)行的無位置傳感器算法[6]。在零速和低速條件下，該控制方法利用I/F方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行；在中高速條件下，其通過SMO觀測電機(jī)的擴(kuò)展反動(dòng)勢，進(jìn)而利用正交鎖相環(huán)估計(jì)位置信息。為保證平穩(wěn)運(yùn)行，上述控制方法設(shè)計(jì)了平滑切換準(zhǔn)則，以實(shí)現(xiàn)不同算法間的平滑切換。為驗(yàn)證理論分析并鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，本研究構(gòu)建了控制系統(tǒng)的Matlab/Simulink仿真，并基于Rtuint實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)工作。

本研究面向當(dāng)前新工科發(fā)展需求，采取理論教學(xué)、仿真分析、模塊化編程和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)路線，如圖1所示。在理論層面，將 “數(shù)字電路” “自動(dòng)控制原理” “電力電子技術(shù)” “電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)” “微型計(jì)算機(jī)原理” 與 “運(yùn)動(dòng)控制” 緊密結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用層面，采用先進(jìn)的數(shù)字控制器開展探索性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅有利于加深學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解，還可以培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)能提升課程的前沿性和挑戰(zhàn)度。

1 理論知識(shí)

本研究中的全速域運(yùn)行的無位置傳感器算法在理論知識(shí)方面主要包括三方面內(nèi)容：I/F技術(shù)、SMO技術(shù)和平滑切換設(shè)計(jì)。I/F技術(shù)用于PMSM啟動(dòng)和低速運(yùn)行階段，SMO技術(shù)用于正常運(yùn)行階段，二者之間的過渡通過設(shè)計(jì)平滑切換函數(shù)實(shí)現(xiàn)。上述三方面內(nèi)容建立在 “自動(dòng)控制原理” “電力電子技術(shù)” “電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)” 和 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 等課程知識(shí)體系之上，既有傳承又有拓展，同時(shí)也融入了探索性研究。該部分內(nèi)容可以在課前由教師準(zhǔn)備好預(yù)習(xí)課件，通過教學(xué)平臺(tái)發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生利用課前時(shí)間做好預(yù)習(xí)工作，為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

1.1 I/F技術(shù)

I/F工作原理是根據(jù)PMSM負(fù)載的轉(zhuǎn)矩―轉(zhuǎn)速特性曲線，設(shè)置電流/頻率比，使電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的電磁轉(zhuǎn)矩均能與負(fù)載轉(zhuǎn)矩匹配，從而以較高的效率運(yùn)行，此過程中不需要轉(zhuǎn)速外環(huán)參與，因此它是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)的控制方法。該方法直接控制電流給定，在無位置傳感器控制策略中常用于電機(jī)啟動(dòng)。

采用I/F控制時(shí)，若電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，轉(zhuǎn)子在固定的電流矢量作用下以固定頻率保持同步旋轉(zhuǎn)，電機(jī)處于平衡狀態(tài)；若負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然發(fā)生改變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨之變化，但由于PMSM本身所具有的 “轉(zhuǎn)矩―功角自平衡” 特性，轉(zhuǎn)速的改變將減小電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角和虛擬位置角之間的差值，從而使電磁轉(zhuǎn)矩向負(fù)載轉(zhuǎn)矩靠近，進(jìn)而達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

1.2 滑模觀測器技術(shù)

基于SMO的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)原理，從本質(zhì)上而言，是根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)定子電流狀態(tài)方程，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行重構(gòu)，利用系統(tǒng)中可直接測得的電壓電流變量，把觀測的反電動(dòng)勢作為反饋量，經(jīng)過計(jì)算，快速修正電流估計(jì)，使反電動(dòng)勢觀測值接近真實(shí)值，從而得到估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置信息[7]。以表貼式PMSM在 坐標(biāo)系下的電壓方程為模型，其中反電動(dòng)勢表達(dá)式為

若電機(jī)參數(shù)不發(fā)生改變，則PMSM的反電動(dòng)勢幅值大小僅與電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速有關(guān)。同時(shí)，式（1）中還包含了電機(jī)轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速e和位置角e，因此只要能準(zhǔn)確估計(jì)反電動(dòng)勢，便能獲得電機(jī)的當(dāng)前位置。將上式改寫成電流狀態(tài)方程的形式，并結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，以定子電流估計(jì)誤差作為滑模面S，進(jìn)而構(gòu)建滑模觀測器：

式中，u、u、i和i分別為定子電壓矢量和定子電流矢量的 分量，Ls定子電感，Rs為定子電阻，p為微分算子，為電流估計(jì)誤差，軸電流的估計(jì)值，軸反電動(dòng)勢的估計(jì)值，k為滑模增益系數(shù)。

SMO的核心思想是將電流估計(jì)誤差作為系統(tǒng)的干擾量，在合適的滑模增益系數(shù)k下，通過切換函數(shù)不斷產(chǎn)生調(diào)節(jié)量，使得滑模面快速向零收斂，其觀測性能僅與滑模增益系數(shù)的大小有關(guān)，因此具有較強(qiáng)的魯棒性。由于符號(hào)函數(shù)的引入，估計(jì)的反電動(dòng)勢中存在著大量的非線性開關(guān)信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致估算的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)高頻抖振現(xiàn)象，這不利于系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，通常的解決方法是在估計(jì)反電動(dòng)勢后接入一階濾波器進(jìn)行平滑處理。通過SMO得到估計(jì)反電動(dòng)勢并使用一階濾波器，便能根據(jù)式（2）直接求得電角速度和電角度，其表達(dá)式如下：

根據(jù)PMSM數(shù)學(xué)模型可以得到如下式所示的鎖相環(huán)基本模型：

1.3 平滑切換設(shè)計(jì)

電機(jī)啟動(dòng)后，通過I/F方式將轉(zhuǎn)速提高，反電動(dòng)勢信噪比隨之上升，當(dāng)SMO估計(jì)轉(zhuǎn)速誤差和位置角估計(jì)精度等滿足系統(tǒng)運(yùn)行的一定條件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)速度平滑切換。該過程目前缺少統(tǒng)一的指導(dǎo)，為開放環(huán)節(jié)，可供學(xué)生們探索研究，引導(dǎo)他們自主學(xué)習(xí)探索。圖2為基于I/F和SMO的全速域PMSM無位置傳感器控制結(jié)構(gòu)。

2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方法有效性，本研究設(shè)置了仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)，利用MATLAB/Simulink軟件搭建控制系統(tǒng)仿真模型。通過仿真可以鍛煉學(xué)生使用專業(yè)軟件的能力，加深他們對(duì)于理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)他們解決工程問題的思路。學(xué)生可在課前根據(jù)預(yù)習(xí)課件構(gòu)建仿真，進(jìn)行初步探索，為實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行做好準(zhǔn)備。

圖3為估計(jì)轉(zhuǎn)速及其誤差仿真波形。系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行階段時(shí)，轉(zhuǎn)速誤差波動(dòng)較大，而切進(jìn)閉環(huán)階段后，這類現(xiàn)象得到了極大改善。通過橫軸縱向比對(duì)可知，開、閉環(huán)的切換過渡并不是轉(zhuǎn)速達(dá)到某一轉(zhuǎn)速后立即進(jìn)行的，而是在繼續(xù)升速的過程中，判斷是否達(dá)到切換條件而平穩(wěn)過渡到下個(gè)階段。仿真波形表明，所提方法可實(shí)現(xiàn)PMSM全速域無位置傳感器運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，本研究基于Rtunit實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)搭建了PMSM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示。Runit控制系統(tǒng)是專門為快速控制原型應(yīng)用研發(fā)的產(chǎn)品，提供了一種在真實(shí)硬件上無需手動(dòng)編程就可以非常有效且快速開發(fā)、優(yōu)化和測試復(fù)雜控制算法的方法。該系統(tǒng)可以將基于Simulink的算法模型直接生成代碼并下載到硬件上，然后與實(shí)物硬件構(gòu)成閉環(huán)，完成控制代碼的實(shí)時(shí)運(yùn)行和快速驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中，利用配套的Rtunit Studio軟件可實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)、參數(shù)修改和狀態(tài)監(jiān)測。Rtunit控制系統(tǒng)的快速性、實(shí)時(shí)性和便捷性壓縮了實(shí)驗(yàn)周期且避免了復(fù)雜的編程，特別適合本科生進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生們可以利用該平臺(tái)驗(yàn)證理論知識(shí)和仿真結(jié)果，學(xué)習(xí)先進(jìn)的實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)，增強(qiáng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。圖5為動(dòng)態(tài)調(diào)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在初始時(shí)電機(jī)處于輕載并以額定轉(zhuǎn)速（3000rpm）反向運(yùn)行，經(jīng)3次調(diào)速后最終以額定轉(zhuǎn)速正向穩(wěn)定運(yùn)行。盡管在[-200rpm,200rpm]范圍內(nèi)，電機(jī)估計(jì)轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)，但其能迅速恢復(fù)至正常值，保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，平均估計(jì)轉(zhuǎn)速波動(dòng)為3.57rpm，平均轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)誤差為0.15rad。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提SMO算法能較好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置與速度估計(jì)。實(shí)驗(yàn)波形表明，所提方法可有效實(shí)現(xiàn)PMSM全速域無位置傳感器控制，同時(shí)也驗(yàn)證了本研究所提出技術(shù)路線的可行性，為 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 課程實(shí)驗(yàn)提供了創(chuàng)新和探索的新路徑。

4 結(jié)語

本文面向教育部提出的新工科建設(shè)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的需求，圍繞 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 課程中的電機(jī)控制問題，結(jié)合當(dāng)前電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展前沿，以三相PMSM為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種適用于全速域范圍運(yùn)行的無位置傳感器控制策略，搭建了Simulink仿真模型并構(gòu)建了Rtunit實(shí)時(shí)數(shù)字測試平臺(tái)。該平臺(tái)解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?、?chuàng)新性欠缺，以及純實(shí)物探究性實(shí)驗(yàn)難度大、覆蓋范圍窄等問題，能夠滿足本科階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究生階段的科研工作需求。本實(shí)驗(yàn)研究可望改善教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的理論創(chuàng)新意識(shí)，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，提升課程教學(xué)的先進(jìn)性和創(chuàng)造性，促進(jìn)高質(zhì)量新工科人才培養(yǎng)。