CN107196570A - 一种永磁同步电机无传感器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：在永磁同步电机无传感器矢量控制情况下将自适应模糊滑模观测器系统与反电动势观测器相结合。根据模糊控制原理，确定自适应模糊滑模观测器的模糊规则，通过模糊控制系统的滑模到达条件，实现对滑模观测器中滑模增益的自适应调整，并根据李雅普诺夫稳定性定理构建反电动势观测器代替低通滤波器。本发明的控制方法不仅可以有效地削弱抖振现象，提高系统鲁棒性，同时还避免了由低通滤波器产生的相位延迟问题，提高了系统的稳定性及准确跟踪性。

Description

一种永磁同步电机无传感器控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于自适应模糊滑模观测器的无传感器永磁同步电机控制方法。
背景技术
永磁同步电机由于具有高转矩比、高效率及高功率密度等特点，被广泛应于高性能调速系统中。工程中常常通过安装传感器获得电机转子速度及位置的准确信息，这不仅增大了系统的体积和成本，还降低系统的可靠性。因此，永磁同步电机无传感器控制技术的研究有着极其重要的意义。
近年来，滑模观测器因其具有计算简单、鲁棒性好、容易实现等特点而备受人们欢迎。但是传统的滑模观测器控制系统中抖振较大，同时由于低通滤波器的应用，会产生相位延迟的问题。低速时传统的滑模观测器无传感器控制系统对转子转速估算不精确，所以在某些方面限制了传统滑模观测器在实际控制中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步电机无传感器控制方法，不仅大大削弱了系统抖振及减少动态响应时间，还提高了对转速及位置信息估计的准确精度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种永磁同步电机无传感器控制方法，具体包括以下步骤：
(1)建立基于在αβ坐标系下的自适应模糊滑模观测器数学模型：
(2)根据模糊控制原理，确定自适应模糊滑模观测器的模糊规则，通过模糊控制系统，得到滑模增益Ksw；
(3)利用永磁同步电机反电动势模型，构建反电动势观测器；
(4)反电动势估计值通过转子位置估算模块进而计算出转子位置。
在静止两相坐标系αβ下的数学模型为:
其中iα、iβ和uα、uβ分别为αβ坐标系上的定子电流和定子电压；eα、eβ为αβ坐标系上的反电动势；R和Ls分别为定子电阻和定子电感；Ψf为永磁体磁链；ωr为转子电角速度；θ为转子位置角。
将自适应模糊滑模观测器系统与反电动势观测器相结合，其特征在于：设定输入变量，通过模糊控制系统，采用模糊规则，根据滑模控制系统的滑模到达条件，实现对滑模观测器中的滑模增益进行自适应调整，然后通过反电动势观测器滤出反电动势估计值中的高频分量，最后通过位置估算模块估计出转子位置。
基于滑模变结构，选取滑模面为：
其中，sα、sβ为定子电流误差，为定子电流的估计值，iα、iβ为定子电流实际值。
构建基于αβ坐标系下的自适应模糊滑模观测器数学模型：
其中，为定子电流的估计值，F(x)为sigmoid函数，Ksw为滑模增益。
sigmoid函数作为切换函数，可以有效地减小抖振，所述切换函数设计如下：
为了使滑动模态存在且稳定，构造Lyapunov函数为：
V＝sTs/2 (5)
则自适应模糊滑模观测器的稳定性条件为：
Ksw＞max(|eα|,|eβ|) (6)
反电动势可表示为：
定义输入输出变量的论域均为{-33}，输入变量的模糊语言为{NB(负大)、NM(负中)、Z(零)、 PM(正中)、PB(正大)}，输出变量的模糊语言值为{NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、 PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)}。
在满足不等式的条件下，设计Ksw。
在一个控制周期内，由于电机的角速度变化比较缓慢，则可以假设为dωr/dt＝0。
利用永磁同步电机反电动势模型，构建反电动势观测器：
其中，为反电势估计值，为电机电角速度估计值；l为观测器增益，其值远远大于0。
定义Lyapunov函数：
反电动势通过转子位置估算模块进而计算出转子位置；
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)传统的滑模观测器中的滑模增益值往往都是根据经验给定的常数，但实际系统中电流的观测误差是时变的，固定的常数有可能会增大抖振。本发明将模糊控制、滑模观测器合理的相结合，采用模糊规则，根据滑模到达条件对滑模增益进行有效的估计，并利用滑模增益消除干扰项，从而消除抖振。利用模糊控制器动态调节滑模增益，解决了传统方法产生的高频抖振问题，减少了动态响应时间，增大了速度适应范围。
(2)本发明并利用反电动势模型构建反电动势滑模观测器来代替低通滤波器，避免相位延迟，提高了跟踪效果。
附图说明
图1为基于自适应模糊滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统结构框图。
图2为自适应模糊滑模观测器模块的结构图。
图3为模糊控制系统中输入和输出的隶属函数。
图4为传统滑模观测器的结构图。
图5为在传统滑模观测器下速度和位置的波形图。
图6为本发明控制方法下速度和位置的波形图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，基于自适应模糊滑模观测器永磁同步电机无传感器控制系统原理图，包括 PMSM(永磁同步电机)、三相逆变器模块、SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块、矢量控制模块、自适应模糊滑模观测器模块、反电动势模块及转子位置估算模块。
永磁同步电机的无传感器控制系统的具体控制方法包括如下步骤：
建立在静止两相坐标系αβ下的数学模型。
构建基于αβ坐标下的自适应模糊滑模观测器数学模型：
电流误差方程为：
可得反电动势为：
如图2所示，自适应模糊滑模观测器模块原理图。
通过滑模观测器得到的电流估计值与αβ坐标系下电流实际值iα、iβ相减得到s，并对其求导得根据模糊控制原理，定义s和为模糊控制的两个输入变量，确定自适应模糊滑模控制器的模糊控制规则为：
采用Mamdani模糊推理算法和重心法反模糊化进行判决，输出变量为滑模增益。输入输出隶属函数如图3所示。
由自适应模糊滑模观测器模块可得到反电动势的估计值
因所得反电动势中仍含有高频分量，则利用永磁同步电机反电动势模型，构建反电动势观测器进行滤波。
在一个控制周期内，由于电机的角速度变化比较缓慢，则可以假设为dωr/dt＝0。
构建反电动势观测器为：
其中，为反电势估计值，为电机电角速度估计值；l为观测器增益，其值远远大于0。
定义Lyapunov函数：
反电动势通过转子位置估算模块进而计算出转子位置：
为说明本发明所提出的自适应模糊滑模观测器无传感器控制方法的稳定性及快速响应性，本发明将所提出的控制方法与传统滑模观测器做了比较。其中，传统滑模观测器结构图如图 4所示。
如图5为当电机给定速度值为1000rad/s时传统滑模观测器无传感器控制方法下的波形图： (a)为转速实际值与估计值，(b)为转子位置的实际值与估计值。图6为当电机给定速度值为1000rad/s时本发明永磁同步电机无传感器控制方法下的波形图：(a)为转速实际值与估计值，(b)为转子位置的实际值与估计值。通过从图5和图6中转速和转子位置的波形图可发现，相对于传统滑模观测器无传感器控制方法，本发明所提出的控制方法不仅大大地削弱了系统抖振现象，提高了系统的稳定性，还加快了系统的响应时间，提高了对转速及位置信息估计的准确精度。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机无传感器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立基于在αβ坐标系下的自适应模糊滑模观测器数学模型：
(2)根据模糊控制原理，确定自适应模糊滑模观测器的模糊规则，通过模糊控制系统，得到滑模增益Ksw；
(3)利用永磁同步电机反电动势模型，构建反电动势观测器；
(4)反电动势估计值通过转子位置估算模块进而计算出转子位置。
2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无传感器的控制方法，其特征在于，将自适应模糊滑模观测器系统与反电动势观测器相结合。
3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无传感器的控制方法，其特征在于，步骤(1)中基于αβ坐标系下的自适应模糊滑模观测器数学模型为：
其中，为定子电流的估计值，R和Ls分别为定子电阻和定子电感，uα、uβ为αβ坐标系上的定子电压；sα、sβ为定子电流误差，F(x)为sigmoid函数，Ksw为滑模增益。
4.如权利要求2所述的一种永磁同步电机无传感器的控制方法，将自适应模糊滑模观测器系统与反电动势观测器相结合，其特征在于：设定输入变量，通过模糊控制系统，采用模糊规则，根据滑模控制系统的滑模到达条件，实现对滑模观测器中的滑模增益进行自适应调整，然后通过反电动势观测器滤出反电动势估计值中的高频分量，最后通过位置估算模块估计出转子位置。
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