基于容積卡爾曼濾波觀測器的永磁同步電機控制系統研究
一、前言
永磁同步電機 （PMSM） 因其高效率、高功率密度和精确控制而廣泛用于各種工業應用。然而，由于系統的非線性和不确定性，實作PMSM的精确控制具有挑戰性。
為了克服這一挑戰，研究人員建議在PMSM控制系統中使用卡爾曼濾波觀測器（KFO）。KFO 是狀态估計器，可以使用系統的可測量輸入和輸出來估計系統的不可測量狀态。
一種廣泛用于永磁同步電機控制系統的KFO是擴充卡爾曼濾波器（EKF）。然而，EKF存在一些局限性，例如高斯噪聲的假設和系統非線性模型的線性化。是以，研究人員建議使用體積卡爾曼濾波（VKF）觀測器作為EKF的替代方案。
VKF 觀測器是一種非線性觀測器，不需要對系統的非線性模型進行線性化。它基于狀态空間的體積保留轉換，可確定觀察者的估計誤差保持有界。VKF 觀測器在精度、收斂率和魯棒性方面已被證明比 EKF 具有更好的性能。
在永磁同步電機控制系統中，VKF觀測器用于從可測量狀态（如定子電流和電壓）估計不可測量的狀态，例如轉子磁通和轉子位置。然後使用估計的狀态來控制PMSM，使用合适的控制算法，例如磁場定向控制（FOC）。
在永磁同步電機控制系統中使用VKF觀測器已被證明可以提高系統的性能，減少不确定性的影響，并增強系統的魯棒性。然而，由于涉及非線性變換和積分過程，VKF 觀測器的實作需要很高的計算成本。
該領域的未來研究可以集中在開發更有效的算法，用于在PMSM控制系統中實作VKF觀測器，例如并行計算和硬體加速。此外，VKF觀測器的使用可以擴充到其他類型的電機，如感應電機和無刷直流電機，以進一步提高其控制性能。
另一個研究領域可能是開發自适應VKF觀測器，以适應系統參數和不确定性的變化。這可以提高PMSM控制系統的魯棒性和準确性，特别是在動态環境中。
将VKF觀測器與模型預測控制（MPC）和人工神經網絡（ANN）等先進控制政策內建，可以進一步提高PMSM控制系統的性能和魯棒性。這可能導緻為永磁同步電機開發更先進和智能的控制系統，該系統可以在各種工業和商業領域找到應用，例如電動汽車、風力渦輪機和機器人。
本研究還可以探索VKF觀測器在永磁同步電機故障檢測和診斷中的應用。VKF觀測器可用于檢測和診斷永磁同步電機中的各種故障，如定轉子故障、軸承故障和傳感器故障。這可以提高PMSM系統的可靠性和安全性，并降低維護和維修成本。
此外，該研究可以調查VKF觀測器在多機系統中的使用，其中多個PMSM作為一個整體互相連接配接和控制。這可能導緻為複雜的電力系統（如電網和微電網）開發更先進和內建的控制系統。
并且該研究還可以調查各種因素（如溫度、老化和制造公差）對基于VKF觀測器的PMSM控制系統的性能和魯棒性的影響。這可能有助于查明不确定性和幹擾的任何潛在來源，并制定适當的緩解戰略。
最後，該研究可以探索VKF觀測器與其他先進技術（如物聯網（IoT）和雲計算）的內建，以實作對PMSM的遠端監測和控制。這可能導緻開發更高效、更靈活的PMSM控制系統，以适應動态和遠端環境。
綜上所述，基于VKF觀測器的永磁同步電機控制系統的研究在提高永磁同步電機的性能、魯棒性和可靠性方面顯示出巨大的潛力。然而，需要進一步研究以優化VKF觀測器的實作，通過實驗研究驗證理論結果，并探索其在各個領域的應用。
二、筆者觀點
基于體積卡爾曼濾波（VKF）觀測器的永磁同步電機（PMSM）控制系統在精度、收斂速率和魯棒性方面取得了可喜的結果。VKF觀察者可以從可測量狀态估計PMSM的不可測量狀态，這可以提高系統的性能，減少不确定性，增強系統的魯棒性。
未來的研究可以集中在開發更有效的算法來實作VKF觀測器，開發自适應VKF觀測器，并将VKF觀測器與先進的控制政策內建。此外，實驗驗證，調查各種因素對系統性能的影響，以及探索VKF觀測器與其他技術的內建是進一步研究的領域。
參考文獻：
【1】Chen， H.， Wang， J.， He， Y.， & Lu， C. （2019）.基于體積卡爾曼濾波觀測器的永磁同步電機控制系統.IEEE Access， 7， 102171-102180.
【2】Li， J.， Zhao， X.， Cui， Y.， & Li， B. （2019）.基于體積卡爾曼濾波器的永磁同步電機無傳感器控制.IEEE Access， 7， 6914-6924.
【3】任正仁，鄭，M.和陳，Z.（2020）。基于體積卡爾曼濾波的新型永磁同步電機非線性觀測器.IEEE工業電子學報，67（11），9153-9163。
