CN106411209A - 永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，包括步骤：(1)利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器；(2)利用电流状态观测器得到滑模变结构控制函数，并通过所述反电势观测器得到滑模变结构的等效控制函数，再结合反馈增益系数计算得到反电势；(3)所述反电势通过转子位置估算模块，计算得到转子位置。进一步地在电流状态观测器中增加状态反馈增益和干扰解耦观测器。本发明的控制方法能有效的削弱系统中的抖振现象，解决相位延迟问题，提高系统的鲁棒性和抗干扰能力，提高转子位置的低速估算精度，进一步扩宽转子位置估算范围。

Description

永磁同步电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机传感器控制方法，尤其涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机因其体积小、效率高、便于维护以及对环境适应性强等诸多优点倍受高性能驱动领域的青睐。在永磁同步电机控制系统中，一般需要机械式位置传感器来检测转子位置和转速。但是机械式传感器的使用不仅会增加系统的成本和体积，还会降低系统的可靠性，从而限制了在高性能驱动应用场合的应用。因此，永磁同步电机无位置传感器控制的研究有着极其重要意义。

滑模观测器具有原理简单、稳定性好等特点，从而成为电机无位置传感器控制研究领域的一个研究热点。但是传统滑模观测器无位置控制系统抖振较大，同时由于低通滤波器的使用，会带来相位延迟的问题。当电机运行于低速时，传统滑模观测器无位置控制系统对转子位置的估算不够精确。当系统存在参数摄动、负载扰动时，传统滑模观测器无位置控制系统的快速性和抗扰动能力非常有限。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种宽转速强鲁棒性的永磁同步电机无位置传感器控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

(1)利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器；

(2)利用电流状态观测器得到滑模变结构控制函数，并通过所述反电势观测器得到滑模变结构的等效控制函数，再结合反电势增益系数计算得到反电势；

(3)所述反电势通过转子位置估算模块，计算得到转子位置。

步骤(1)具体包括：

(1.1)构建永磁同步电机反电势的复向量方程：

其中，为反电势复向量，ψ_f为永磁磁链，θ为转子电位置角，ω_e为电机转子电角速度；

(1.2)假设则反电势复向量方程简化为

(1.3)利用简化的反电势复向量方程构建反电势观测器：

其中，l₁为反电势观测器增益，其值大于零，为估算反电势复向量，为估算电机转子电角速度。

步骤(2)具体包括：

(2.1)构建永磁同步电机数学模型的复向量方程：

其中，R_s为定子电阻，L_s为电机的同步电感，为定子电流复向量，为定子电压复向量；

(2.2)电流状态观测器采用sigmoid函数作为滑模变结构控制函数，得到永磁同步电机数学模型的复向量方程：

其中，为估算定子电流复向量，为sigmoid函数，为等效控制函数，是由经过反电势观测器得到，l₂是等效控制函数的反馈增益系数；

(2.3)定义变量其中，k为滑模系数，为实际电流和估算电流的差值，α为可调参数，其值大于零；

(2.4)将步骤(4.1)和(4.2)中的方程相减可得：

当系统在滑模面上滑动时，满足条件得到反电势复向量为

进一步地步骤(4.2)中，在电流状态观测器中增加状态反馈增益R_a和干扰解耦观测器G_u，得到永磁同步电机数学模型的复向量方程：

步骤(3)具体为：

所述反电势通过转子位置估算模块，计算得到转子位置：

有益效果：本发明控制方法将状态反馈增益、干扰解耦观测器和反电势增益系数三者结合应用于永磁同步电机无位置传感器控制方法中，能有效的削弱系统中的抖振现象，提高系统的鲁棒性和抗干扰能力；将滑模变结构控制函数通过构建的反电势观测器，得到滑模变结构等效控制函数，从而解决了相位延迟问题；再通过转子位置估算模块提取反电势信号中的转子位置，提高了转子位置的低速估算精度，进一步扩宽转子位置估算范围；采用复向量代替原有的αβ静止参考坐标系下的标量，从而将控制系统的输入和输出量的阶数降为一阶，更易于利用频率响应函数形式分析控制系统的性能；本方法计算量小，有利于工程化。

附图说明

图1是本发明控制方法的结构框图；

图2是本发明控制方法的工作点模型；

图3是传统滑模观测器的结构框图；

图4是传统滑模观测器的工作点模型；

图5是本发明控制方法的频率响应图；

图6是传统滑模观测器的频率响应图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，永磁同步电机无位置传感器控制系统包括电流状态观测器、反电势观测器和转子位置估算模块。

永磁同步电机无位置传感器控制系统的具体控制方法包括如下步骤：

1)利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器。

永磁同步电机反电势方程的复向量可表示为：

其中，为反电势复向量，ψ_f为永磁磁链，θ为转子电位置角，ω_e为电机转子电角速度。

由于转速变化的反应时间远小于定子电流变化的反应时间，因此可假设则反电势复向量存在如下关系：

根据式2构建反电势观测器：

其中，l₁为反电势观测器增益，其值大于零，为估算反电势复向量，为估算电机转子电角速度。

2)通过电流状态观测器得到滑模变结构控制函数，并结合步骤1)构建的反电势观测器得到估算反电势，具体算法如下：

永磁同步电机数学模型的复向量可表示为：

其中，R_s为定子电阻，L_s为电机的同步电感，为定子电流复向量，为定子电压复向量。

为减小系统抖振，采用sigmoid函数代替传统滑模变结构的开关函数，作为滑模变结构控制函数，则式4可表示为：

其中，为估算定子电流复向量，为sigmoid函数，为滑模变结构的等效控制函数，是由经过反电势观测器得到，l₂等效控制函数的反电势增益系数。

定义为：

其中，k为滑模系数，为实际电流和估算电流的差值，α为可调参数，其值大于零。

将式4与式5相减，可得：

根据滑模变结构控制理论，当系统在滑模面上滑动时，有：

由式7和式8可得：

为进一步提高滑模观测器的抗干扰能力和鲁棒性，在电流状态观测器中增加了状态反馈增益R_a和干扰解耦观测器G_u，则式5可表示为：

3)将步骤2)中计算得到的估算反电势通过转子位置估算模块，计算得到估算转子位置。

转子位置估算模块为：

其中，为估算转子电位置角，是反电势复向量在d轴上的分量，是反电势复向量在q轴上的分量，是等效控制函数在d轴上的分量，是等效控制函数在q轴上的分量。

根据滑模运动的存在性和稳定性条件，永磁同步电机的转子位置可以顺利估算的前提是必须满足：结合式7可得：

由于并结合式6，所以满足式12的条件为：

由式9和式11可知，当电机低速运行时，反电势幅值较小，若取0>l₂>-1，则等效控制函数的幅值明显大于反电势的幅值。因此，相比传统的滑模观测器无位置传感器控制系统，本发明所提出的滑模观测器无位置传感器控制系统大大提高了转子位置的低速估算精度。

4)利用小信号线性化分析本发明所提出的滑模观测器无位置传感器控制方法的抗干扰能力与鲁棒性。

由于本发明所提出的滑模观测器无位置传感器控制系统为非线性系统，首先需要对系统模型在工作点处做小信号线性化。建立工作点模型过程如下：

对于式3，有：

对于式10，有：

对于式6，有：

对于式9，有：

根据式14～17，可得到本发明所提出的滑模观测器无位置传感器控制方法的工作点模型，如图2所示。此外，由图2可得到本发明的控制方法的频率响应函数，即为：

为说明本发明所提出的滑模观测器无位置传感器控制方法的鲁棒性和抗干扰能力，本发明将所提出的控制方法与传统滑模观测器作了对比，其中，传统滑模观测器如图3所示。由于传统滑模观测器系统为非线性系统，同样需要对其在工作点处进行小信号线性化。根据上述对本发明所提出的控制方法建立工作点模型过程，得到传统滑模观测器的工作点模型，如图4所示。另外，传统滑模观测器的频率响应函数为：

其中，ω_c为低通滤波器的截止频率，一般为工作频率的3～5倍。

图5为当电机运行于50r/min时本发明永磁同步电机无位置传感器控制方法下的频率响应图，图6为当电机运行于50r/min时传统滑模观测器无位置传感器控制方法下的频率响应图，通过对比图5和图6可以发现，相对于传统滑模观测器无位置传感器控制方法，本发明所提出的滑模观测器无位置传感器控制方法鲁棒性和抗干扰能力大大提高了。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器；

(2)利用电流状态观测器得到滑模变结构控制函数，并通过所述反电势观测器得到滑模变结构的等效控制函数，再结合反馈增益系数计算得到反电势；

(3)所述反电势通过转子位置估算模块，计算得到转子位置。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：在电流状态观测器中增加状态反馈增益和干扰解耦观测器。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：

(3.1)构建永磁同步电机反电势的复向量方程：

$e_{dqs}^s=-{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_{f}sin\mathrm{\θ}+{\mathrm{j\ω}}_e{\mathrm{\ψ}}_{f}cos\mathrm{\θ}$

其中，为反电势复向量，ψ_f为永磁磁链，θ为转子电位置角，ω_e为电机转子电角速度；

(3.2)假设则反电势复向量方程简化为

(3.3)利用简化的反电势复向量方程构建反电势观测器：

$d{\hat{e}}_{dqs}^s/dt=j{\widehat{\mathrm{\ω}}}_e{\hat{e}}_{dqs}^s+l_1({\hat{e}}_{dqs}^s-e_{dqs}^s)$

其中，l₁为反电势观测器增益，其值大于零，为估算反电势复向量，为估算电机转子电角速度。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：

(4.1)构建永磁同步电机数学模型的复向量方程：

${\mathrm{di}}_{dqs}^s/dt=-(R_s/L_s)i_{dqs}^s-(1/L_s)e_{dqs}^s+(1/L_s)u_{dqs}^s$

其中，R_s为定子电阻，L_s为电机的同步电感，为定子电流复向量，为定子电压复向量；

(4.2)电流状态观测器采用sigmoid函数作为滑模变结构控制函数，得到永磁同步电机数学模型的复向量方程：

$d{\hat{i}}_{dqs}^s/dt=-(R_s/L_s){\hat{i}}_{dqs}^s+(1/L_s)\×(u_{dqs}^s-l_2{H}_{edqs}^s-H_{dqs}^s)$

其中，为估算定子电流复向量，为sigmoid函数，为等效控制函数，是由经过反电势观测器得到，l₂是等效控制函数的反馈增益系数；

(4.3)定义变量其中，k为滑模系数，为实际电流和估算电流的差值，α为可调参数，其值大于零；

(4.4)将步骤(4.1)和(4.2)中的方程相减可得：

${\mathrm{dS}}_{dqs}^s/dt=-(R_s/L_s)S_{dqs}^s-(1/L_s)\×(e_{dqs}^s-l_2{H}_{edqs}^s-H_{dqs}^s)$

当系统在滑模面上滑动时，满足条件得到反电势复向量为

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤(4.2)中，在电流状态观测器中增加状态反馈增益R_a和干扰解耦观测器G_u，得到永磁同步电机数学模型的复向量方程：

$d{\hat{i}}_{dqs}^s/\mathrm{\ω}=-(R_s+R_a)/L_s\×{\hat{i}}_{dqs}^s+(1/L_s)\[(1-G_u)u_{dqs}^s-l_2{H}_{edqs}^s-H_{dqs}^s\].$

6.根据权利要求4或5所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：

所述反电势通过转子位置估算模块，计算得到转子位置：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=-{\tan }^{-1}(e_{ds}^s/e_{qs}^s)=-{\tan }^{-1}(H_{eds}^s/H_{eqs}^s).$