CN108183651A - 一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，该方法根据永磁直线同步电机定子绕组的电流和电压信号，利用滑模观测系统估算出动子的速度和磁极位置角；将速度和角度的信息带入矢量控制系统求出开关信号驱动逆变器工作。本发明可以实现永磁直线同步电机的无位置传感器控制，同时发明中采用新的切换函数进行滑模观测器的设计，相比于传统的滑模观测器，可以有效的减少滑模抖动，提高了估算精度。

Description

一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法

技术领域

本发明属于直线电机控制领域，具体涉及一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法。

背景技术

永磁直线同步电机(Permanent magnet linear synchronous motor，PMLSM)是一种利用电磁感应直接产生直线运动的装置。它的结构简单、惯性较小、响应速度快，能直接产生直线推力，广泛运用在物流线搬运装置、垂直升降装置、磁悬浮列车、电磁弹射装置等高速、高精度控制装置中。

为了实现对高速高性能的永磁直线同步电机直接驱动系统的控制，通常采用光栅传感器实时监测电机的速度和磁极位置。但是光栅传感器不仅增加了系统成本，而且可靠性差，安装维护困难，影响了整个系统的性能。因此，实现永磁同步直线电机的无位置传感器的控制是提高系统可靠性的重要途径。在电机的无位置传感器控制中常常采用滑模控制系统。但是滑模控制器由于自身的结构因素，会产生抖动现象，影响速度估算的精度，同时传统的滑模控制系统无法很好的适应直线电机控制的需要。

发明内容

本发明目的在于提供一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，通过改进的滑模观测器计算动子速度，提高了控制精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、获取定子绕组的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c；

步骤2、对三相电流和电压进行Clark变换和Park变换，得到定子绕组在α-β轴上的电流和电压分量i_α、i_β、u_α、u_β，以及定子绕组在d-q轴上的电流分量i_d、i_q；

步骤3、确定滑模观测器的滑模增益系数k和切换函数，构造滑模观测器；

步骤4、构建PMLSM在α-β两相静止坐标系下的电流观测方程，求出定子绕组在α-β轴上的电流估算值和含有反电动势的开关信号z_α、z_β；

步骤5、对开关信号z_α、z_β进行低通滤波，得到定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值和

步骤6、根据定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值，计算出虚拟磁极位置估计角和虚拟转速估计值

步骤7、对虚拟的磁极位置估计角进行补偿，计算补偿后的虚拟转速

步骤8、根据补偿后的虚拟转速计算动子速度

步骤9、根据动子速度计算期望的电压(u_d0、u_q0)，并转化成三相控制电压信号u_a0u_b0u_c0，驱动逆变器工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明对滑模观测器进行改进，并结合永磁直线同步电机的特点，进行无位置传感器控制系统的设计，提高了系统的安全可靠性和电机速度估算的精度。

附图说明

图1为永磁直线同步电机无位置传感器控制系统的框图；

图2为永磁旋转同步电机与永磁直线同步电机转化示意图；

图3为面向PMLSM的滑模观测器示意图；图4为永磁同步直线电机无位置传感器控制系统的流程图；

图5为永磁直线同步电机速度仿真结果图；

图6为永磁直线同步电机速度仿真结果局部示意图。

图7为永磁直线同步电机速度估计偏差的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明方案作进一步描述。

一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、获取定子绕组的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c；

步骤2、对三相电流和电压进行Clark变换和Park变换，见图3，得到定子绕组在α-β轴上的电流和电压分量i_α、i_β、u_α、u_β，以及定子绕组在d-q轴上的电流分量i_d、i_q；

步骤3、确定滑模观测器的滑模增益系数k和切换函数，构造滑模观测器，滑模观测器设计如下：

滑模增益系数满足下式：

式中，k表示滑模观测器的滑模增益系数，表示定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值。

滑模面设计为电流估计偏差为定子绕组在α-β轴上的电流估算值，i_α、i_β表示定子绕组在α-β轴上的电流和电压检测值，Δi_α、Δi_β为α、β电流估计偏差。

切换函数设计为：

式中，a₁、a₂、a₃、a₄、m₁和m₂为常数，需要结合实际情况进行参，a₁、a₂和a₃为改变输出值改变的幅值，a₄、m₁和m₂控制函数突变的程度，h控制跳变的范围，Δi表示电流估计值与实际值的偏差。

步骤4、构建PMLSM在α-β两相静止坐标系下的电流观测方程，求出定子绕组在α-β轴上的电流估算值和含有反电动势的开关信号z_α、z_β；

电流观测方程为：

式中，为定子绕组在α-β轴上的电流估算值，R为定子绕组电阻，L为定子绕组电感，u_α、u_β为定子绕组在α-β轴上的电压分量，z_α、z_β为定子绕组在α-β轴上含有反电动势的开关信号z_α、z_β，k为滑模增益，Δi_α、Δi_β为α、β电流估计偏差，f(·)为切换函数。

步骤5、对开关信号z_α、z_β进行低通滤波，得到定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值和

反电动势估计值为：

式中，k为滑模增益，Δi_α、Δi_β为α、β电流估计偏差，f(·)为切换函数，ω_c表示低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯算子。

步骤6、根据定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值，计算出虚拟磁极位置估计角和虚拟转速估计值

虚拟磁极位置估计角为：

式中，为虚拟磁极位置估计角，为定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值。

虚拟转速估计值为：

式中，为虚拟转速估计值，表示将直线电机转化成旋转电机时，旋转电机中对应的转速，为虚拟磁极位置估计角，表示将直线电机转化成旋转电机时，旋转电机中的磁极对应在转子上所对应的角度。

步骤7、对虚拟的磁极位置估计角进行补偿，计算补偿后的虚拟转速

补偿后虚拟转速为：

式中，Δθ表示补偿的角度，表示虚拟的转速，ω_c表示低通滤波器的截止频率，表示补偿后的虚拟磁极位置角，表示虚拟磁极位置估计角，表示补偿后的虚拟转速。

步骤8、根据补偿后的虚拟转速计算动子速度

虚拟转速和动子速度的转换公式为：

式中，表示补偿后的虚拟转速，p表示极对数，τ表示极距。

步骤9、根据动子速度以及定子绕组在d-q轴上的电流分量i_d、i_q，通过矢量控制方法，计算期望的电压(u_d0、u_q0)，并转化成三相控制电压信号u_a0u_b0u_c0，驱动逆变器工作。

实施例1

按上述方法，在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型，仿真所用的参数如下：定子绕组电阻R＝2.875Ω，定子绕组电感L＝0.000835Ω，极对数p＝4，极距τ＝16mm，滑模增益系数k＝200，滤波器截止频率为ω_c＝20kHz，母线电压U_dc＝311V,设计的tan-sigmoid函数的表达式为：

当给定速度为5m/s时。由图4可以看出，在0.1s时间内永磁直线同步电机的实际速度和估计速度偏差不大。由图5可以看出，当实际速度接近于给定速度时，估计速度对于实际速度具有很好的跟踪效应，即当实际速度瞬时变化时，估计速度也随之实际速度一起瞬时变化。由图6的仿真结果可以看出，在电机启动时，估计速度与实际速度的瞬时误差在1.4％以内。在电机稳定运行时，估计速度与实际速度的瞬时误差在0.2％以内。仿真结果证明，该永磁直线同步电机的无位置传感器控制方法，能够满足通常直线电机伺服系统的精度要求，同时速度估算具有很好的动态响应，实现了对控制系统的跟踪效应。

Claims (9)

1.一种永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、获取定子绕组的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c；

步骤2、对三相电流和电压进行Clark变换和Park变换，得到定子绕组在α-β轴上的电流和电压分量i_α、i_β、u_α、u_β，以及定子绕组在d-q轴上的电流分量i_d、i_q；

步骤3、确定滑模观测器的滑模增益系数k和切换函数，构造滑模观测器；

步骤4、构建PMLSM在α-β两相静止坐标系下的电流观测方程，求出定子绕组在α-β轴上的电流估算值和含有反电动势的开关信号z_α、z_β；

步骤5、对开关信号z_α、z_β进行低通滤波，得到定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值和

步骤6、根据定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值，计算出虚拟磁极位置估计角和虚拟转速估计值

步骤7、对虚拟的磁极位置估计角进行补偿，计算补偿后的虚拟转速

步骤8、根据补偿后的虚拟转速计算动子速度

步骤9、根据动子速度以及定子绕组在d-q轴上的电流分量i_d、i_q，通过矢量控制方法计算期望的电压(u_d0、u_q0)，并转化成三相控制电压信号u_a0u_b0u_c0，驱动逆变器工作。

2.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤3确定的滑模增益系数满足下式：

式中，k表示滑模观测器的滑模增益系数，表示定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值。

3.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤3确定的切换函数为：

式中，a₁、a₂、a₃、a₄、m₁和m₂为常数，a₁、a₂和a₃为改变输出值改变的幅值，a₄、m₁和m₂控制函数突变的程度，h控制跳变的范围，Δi表示电流估计值与实际值的偏差。

4.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤4构建的电流观测方程：

式中，为定子绕组在α-β轴上的电流估算值，R为定子绕组电阻，L为定子绕组电感，u_α、u_β为定子绕组在α-β轴上的电压分量，z_α、z_β为定子绕组在α-β轴上含有反电动势的开关信号z_α、z_β，k为滑模增益，Δi_α、Δi_β为α、β电流估计偏差，f(·)为切换函数。

5.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤5的反电动势估计值为：

式中，k为滑模增益，Δi_α、Δi_β为α、β电流估计偏差，f(·)为切换函数，ω_c表示低通滤波器的截止频率，s表示拉普拉斯算子。

6.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤6计算出虚拟磁极位置估计角的公式为：

式中，为虚拟磁极位置估计角，为定子绕组在α-β轴上的反电动势估计值。

7.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤6计算虚拟转速估计值的公式为：

式中，为虚拟转速估计值，为虚拟磁极位置估计角。

8.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤7计算补偿后虚拟转速的公式为：

式中，Δθ表示补偿的角度，表示虚拟的转速，ω_c表示低通滤波器的截止频率，表示补偿后的虚拟磁极位置角，表示虚拟磁极位置估计角，表示补偿后的虚拟转速。

9.根据权利要求1所述的永磁直线同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于，步骤8中虚拟转速和动子速度的转换公式为：

式中，表示补偿后的虚拟转速，p表示极对数，τ表示极距。