基于滑模观测器的电机控制与PFC系统仿真设计

资 源 简 介

本项目是一个综合性的MATLAB仿真平台，主要分为永磁同步电机驱动控制和功率因数校正电路两大部分。电机驱动部分的核心是Mysmo.mdl主程序，该程序具备高度的灵活性，能够实现永磁同步电机在有速度传感器状态下的稳定启动，以及在无速度传感器状态下的高性能运行。为了实现无感控制，系统调用了SMOmodel.m改进滑模观测器模型，通过先进的数学算法精准估算电机运行过程中的反电动势，从而获取精确的转子位置和速度信息。 在功率因数校正（PFC）部分，项目针对不同的应用需求提供了三种仿真模型：一是PFCDCM0hm5

详 情 说 明

基于改进滑模观测器的永磁同步电机控制与功率因数校正系统仿真设计

1. 项目介绍

本项目是一个集成了永磁同步电机（PMSM）驱动控制与功率因数校正（PFC）电路的综合性数学仿真平台。该系统通过先进的控制算法，实现了电机在无位置传感器状态下的平稳运行，并针对不同的工业应用场景，提供了三种不同配置的功率因数校正方案。整个系统旨在通过仿真手段验证电机无感控制的精确性以及交流-直流转换过程中能量效率的优化。

2. 功能特性

• 高性能电机控制： 采用矢量控制（FOC）策略，通过id=0的控制方法实现电磁转矩的线性解耦。
• 改进型滑模观测器： 使用Sigmoid函数取代传统的Sign函数，有效抑制了滑模控制中常见的抖振现象，提高了转子位置估算的平滑度。
• 全速度范围适应： 支持电机从静态启动到动态变频运行的平滑过渡，具备良好的鲁棒性。
• 多样化PFC模型： 涵盖断续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM），满足从低电感小体积到高功率因数不同维度的设计需求。
• 精准闭环反馈： 电机侧具备速度-电流双闭环控制，PFC侧具备电压-电流双闭环控制，确保系统动态响应快且稳定。

3. 使用方法

• 启动仿真： 在MATLAB开发环境中直接运行主仿真程序。程序将自动初始化电机参数与电源参数。
• 数据观测： 运行结束后，系统会自动弹出六轴综合图表，实时显示电机转速曲线、转矩波动、反电动势估算波形以及三种PFC模式下的电压、电流关系图。
• 参数调整： 用户可根据需要修改主程序开头的电机物理参数（如电阻、感抗、磁链等）或控制增益（PI增益、滑模增益），以观察不同工况下的系统表现。

4. 系统要求

• 软件环境： MATLAB R2018b 或更高版本。
• 功能模块： 需要安装基本数学计算库，无需特定的Simulink工具箱（本程序基于纯代码级算法数学仿真实现）。

5. 主程序逻辑控制实现说明

主程序逻辑分为三大核心模块：

第一部分：永磁同步电机（PMSM）仿真逻辑

系统模拟了一个完整的闭环控制循环，每次采样周期执行以下操作：

• 坐标变换与物理计算： 基于电机数学模型实时更新d-q轴电流，模拟电机在三相电压驱动下的物理反映。
• 速度环控制： 外部速度环PI控制器计算给定转速与反馈转速的差值，并输出q轴参考电流。
• 电流环控制（FOC）： 内部电流环PI控制器根据id=0原则产生电压参考指令。
• 改进型滑模观测（SMO）： 这是系统的核心算法。程序通过电压指令和电流反馈构建状态观测器，利用改进的滑模控制律计算反电动势。
• 位置与速度提取： 利用正切函数（atan2）处理观测到的反电动势，从中提取转子电角度位置信息，为无感控制提供反馈。

第二部分：PFC功率因数校正逻辑

程序通过一个通用的行为级电路仿真函数，实现了三类PFC电路的并行对比：

• DCM模式（400V）： 采用0.5mH小电感。逻辑中特别设置了过零点电流归零检测，模拟了电流断续流动的物理特性。
• CCM模式（320V）： 采用5mH大电感，将电压升压至320V。该模式通过高开关频率（50kHz）和电感充放电平衡，确保输入电流能够紧紧追随输入电压的正弦波形，功率因数标定在0.98。
• CCM模式（400V）： 保持5mH电感，但将目标输出电压提升至400V，模拟了高压直流母线应用场景，功率因数保持在0.97。

第三部分：可视化处理

系统最后将仿真过程中存储的所有历史数据（转速、转矩、反电动势、PFC电压电流等）进行统一绘图，方便分析系统的稳态误差和动态性能。

6. 关键算法与实现细节分析

改进滑模观测器（SMO）算法

程序中放弃了传统的硬开关函数，引入了Sigmoid连续函数。其数学实现为：v_control = k_smo * (2/(1+exp(-a*err)) - 1)。这种改进极大地减少了反电动势信号中的高频噪声，使得后续通过低通滤波器（LPF）提取的位置信息更加纯净，降低了转速估算的抖动。

功率因数校正的双环策略

每一个PFC模型都内置了复杂的数学逻辑：

• 电压外环： 稳定输出的直流电压，输出电流幅值基准。
• 电流内环： 强迫输入电流呈现与交流电压同相位的正弦特征。其核心在于占空比（Duty）的动态计算，公式中集成了电压反馈、电流反馈与输入电压的前馈补偿。

电机物理模型的数值积分

系统未调用封装好的电机模块，而是采用了一阶欧拉积分法直接求解电机运动学方程和电磁方程。这种实现方式能够清晰展示电压、磁链与转矩之间的耦合关系，使得仿真过程在算法层面完全透明。