CN108258946A - 一种永磁同步直线电机的无速度传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步直线电机的无速度传感器控制方法，基于滑模控制原理和模型参考自适应理论，设计一种SMC‑MRAS速度观测模型，以同步直线电机本身为参考模型，选取电机电流模型为可调模型，根据这两个模型输出参数的差值构建滑模模型，并选取Sigmoid函数作为切换函数，能有效的减小系统的抖振，提高永磁同步直线电机的速度控制精度，具有较强的鲁棒性和可靠的动静态性能。

Description

一种永磁同步直线电机的无速度传感器控制方法

技术领域：

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步直线电机的无速度传感器控制方法，特别是一种高精度速度要求电机的控制方法。

背景技术：

直线电机与普通的旋转电机不同，它是一种利用电能产生直线运动的电机，它省去了传统旋转电机的旋转运动，可直接进行直线运动，其最大特点是去掉了传统电机传动的中间传动环节(如丝杠、齿轮或螺母)，把操作平台的进给传动链的长度缩减至零，即实现了“零传动”或“直接传动”。永磁同步直线电机可实现无接触传递力，刚性损耗小，模型简单，工作寿命长，进给加速度大最高可达20m/s。永磁同步直线电机(PMSLM)的高精度定位控制,需要实时获得电机的转速和位置信息，传统方法是利用位置或速度传感器，增加传感器势必会增加成本、使电机体积变大、降低电机运行的可靠性及鲁棒性。因此，近年来直线电机的无传感器控制成为国内、外学者研究的重点。

无传感器控制一般方法是采用一种无速度传感器模型预测转矩控制,基于模型参考自适应技术结合模型预测控制策略设计了观测器，以精确估算转子速度并减小转矩和定子磁链波动、提高系统动态和静态响应特性；除此之外，利用速度观测器或磁链观测器增加状态变量，也可以提高系统稳定性，这两种方法在电机稳定运行时，可以达到精准控制，但是在电机刚启动或者运行状态变化时，上述两种方法不能实时精确的估计电机运行状态，无法实现高精度稳定控制。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对传统电机速度传感器对电机造成的不稳定、动静态速度跟踪进度差、额外增加成本等问题，提出一种SMC-MRAS无速度传感器跟踪控制方法，以便更快、更精确地对电机转速进行实时跟踪控制。

为了实现上述目的，本发明实现永磁同步直线电机无速度传感器控制的具体过程为：

(1)确定并分析永磁同步直线电机状态参数，包括参考模型的dq轴电流i_d和i_q以及可调模型dq轴电流和将永磁同步直线电机作为参考模型，并联可调模型为电流模型，根据i_d与以及i_q与的误差构建滑模面S，其中坐标变换abc-αβ公式为：

两相静止坐标系变两相旋转坐标系变换公式αβ-dq为：

忽略电机铁心的磁饱和，永磁体的磁导率为0，不计永磁同步直线电机的涡流损耗、磁滞损耗，永磁同步直线电机的d-q坐标系下的数学模型为：

式中U_d和U_q为电机定子d、q轴的电压，L_q和L_d分别为d、q轴的定子电感，对于表面式PMSLM，L_q＝L_q；Ф_d为d轴磁链；

PMSLM的推理方程为：

由公式可知，采用i_d＝0的控制方式使电机的推力达到最大，通过空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)技术为驱动模块提供六路控制信号，通过控制信号的频率和占空比来达到实时电机转矩控制；

永磁同步直线电机的机械运动方程为：

式中M为电机转子的质量，F_L为电机负载大小，B为电机摩擦系数；

第二步，建立滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型，滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型包括电机参考模型和电机可调模型，其中电机参考模型为电机参数数学模型，其方程为：

τ_e＝n_p[(L_d-L_q)i_di_q+Φi_q]

电机可调模型方程为：

式中，

令i'_q＝i_q，u'_q＝u_q，则上式简化为：

式中： 为定子电流估计值d、q轴分量，为定子角速度估计值；定义状态误差则i_d与的误差以及i_q与的误差表示为：

利用误差构造如下滑模面：

SMC-MRAS速度观测模型的估计速度为

其中sigmoid函数为通过改变sigmoid函数中的参数，控制其突变的时间和幅度，其中a和b值控制输出突变的负值，c值控制输出突变的时间，d值调节sigmoid函数的斜度，m值控制跳变的范围；最后通过速度传递函数与低通滤波器(Low-PassFilter，LPF)得到速度估计值：

根据Popov超稳定原理，当电机运行时，显然当M选择的足够大时，当s>0，则当s<0，则即满足广义滑模的存在条件；

第三步，搭建永磁同步直线电机模型，永磁同步直线电机模型以电机三相电压U_abc、电机磁链F_f、以及负载转矩F_L为输入量，输出量为电磁转矩F_e、电机转速V、电机三相电流I_abc、电机转角theta，通过以下永磁同步直线电机状态方程建立模型：

τ_e＝n_p[(L_d-L_q)i_di_q+Φi_q]

第四步，在Matlab/Simulink环境下进行仿测试，采用i_d＝0的控制方式，电流控制器与速度控制器都采用PI控制，其中速度反馈信号和位置信号来自SMC-MRAS速度观测模型，SMC-MRAS速度观测模型的切换函数参数选取为：a＝b＝0.5，c＝0，d＝500，m＝1，滑模系数按照滑模存在条件设为10000，低通滤波器截至频率设为5kHz，电机电压为310V；

第五步，分析永磁同步直线电机滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型的可靠性与先进性，在负载转矩为1N，0.2秒时变为3N情况下，永磁同步直线电机设定转速为200r/s，其转速最大误差在4r/s以内，稳定误差小于1r/s，误差率在0.5％以内，达到设计目标；当额定转速由150r/s突变直200r/s且负载转矩为3N，系统转速估计仍然精确稳定；最大转速估计误差在5r/s以内，稳定转速估计误差仍小于1r/s。

本发明建立的滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型中滑模变结构最显著的特征就是滑模动态的存在使得系统一旦进入滑模状态，系统运动都将保持在切换面或其邻域上，合适的滑模面能够使系统快速达到稳定。

本发明在控制率方面，采用sigmoid函数作为切换函数，传统的Sgn函数是不连续开关函数，在滑模运动的系统由于参数的摄动、外部扰动等因素会带来不可避免的抖振，为改善抖振问题采用开关较为平滑的双曲正切函数，减少相位延迟环。

本发明与现有技术相比，SMC-MRAS速度观测模型以同步直线电机本身为参考模型，选取电机电流模型为可调模型，根据这两个模型输出参数的差值构建滑模模型，并选取sigmoid函数作为切换函数可以有效的减小系统的抖振。该方法有效地提高了永磁同步直线电机的速度控制精度，具有较强的鲁棒性和可靠的动静态性能。

附图说明:

图1为本发明所述控制工艺流程框图。

图2为本发明所述SMC-MRAS模型结构图，其中，Psi_Subsystem模块是参考模型模块，由电机状态方程组成，MRASsys为可调模型模块，用以跟踪参考模型。

图3为本发明所述空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)方法图，其中，abc to dq0模块为Park坐标系变换模块，Psi_Subsystem1模块为电机状态模块，用以计算电机电流参数，fe_system模块为电磁转矩计算模块，mechanicalsys模块为永磁同步直线电机模型，abcto dq0为反Park变换模块。

图4为本发明所述永磁同步直线电机无速度传感器控制原理图，其中，PIDController1-3为电流调节器模块，SVPWM模块为空间矢量脉冲宽度调制模块，pmlsmSub模块为永磁同步直线电机状态模块。

图5为本发明实施例负载转矩为1N，0.2秒时变为3N、额定转速为200r/s时电机转速估计曲线图。

图6为本发明实施例负载转矩为1N，0.2秒时变为3N、额定转速为200r/s时电机速度测量值与估计值误差曲线图。

图7为本发明实施例负载转矩由3N，额定转速由150r/s突变至200r/s时电机转速估计曲线图。

图8为本发明实施例负载转矩由3N，额定转速由200r/s突变至300r/s时电机速度测量值与估计值误差曲线图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例所述永磁同步直线电机无速度控制器的具体控制过程为：

(1)确定并分析永磁同步直线电机状态参数，主要包括参考模型的dq轴电流i_d和i_q以及可调模型dq轴电流和如图1所示，将永磁同步直线电机作为参考模型，并联可调模型为电流模型，根据i_d与以及i_q与的误差构建滑模面S，其中坐标变换abc-αβ公式为：

两相静止坐标系变两相旋转坐标系变换公式αβ-dq为：

忽略电机铁心的磁饱和，永磁体的磁导率为0，不计永磁同步直线电机(PMSLM)的涡流损耗、磁滞损耗，永磁同步直线电机的d-q坐标系下的数学模型为：

式中U_d和U_q为电机定子d、q轴的电压，L_q和L_d分别为d、q轴的定子电感，对于表面式PMSLM，L_q＝L_q；Ф_d为d轴磁链；

PMSLM的推理方程为：

由公式可知，采用i_d＝0的控制方式使电机的推力达到最大，通过空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)技术为驱动模块提供6路控制信号，如图3所示，通过控制信号的频率和占空比来达到实时电机转矩控制；

永磁同步直线电机的机械运动方程为：

式中M为电机转子的质量，F_L为电机负载大小，B为电机摩擦系数；

第二步，建立滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型，如图2所示SMC-MRAS模型结构图，图中上半部分Psi_Subsystem模块为电机参考模型，主要是电机参数数学模型，模型方程为：

τ_e＝n_p[(L_d-L_q)i_di_q+Φi_q]

下半部分MRASsys模块是电机可调模型，模型方程为：

式中，

令i'_q＝i_q，u'_q＝u_q，则上述可以简化为：

式中： 为定子电流估计值d、q轴分量，为定子角速度估计值；定义状态误差则i_d与的误差以及i_q与的误差表示为：

利用误差构造如下滑模面：

SMC-MRAS速度观测模型的估计速度为

其中sigmoid函数为通过改变sigmoid函数中的参数，控制其突变的时间和幅度，其中a和b值控制输出突变的负值，c值控制输出突变的时间，d值调节sigmoid函数的斜度，m值控制跳变的范围；最后通过速度传递函数与低通滤波器(Low-PassFilter，LPF)得到速度估计值：

根据Popov超稳定原理，当电机运行时，显然当M选择的足够大时，当s>0，则当s<0，则即满足广义滑模的存在条件；

第三步，搭建永磁同步直线电机模型，如图3所示，永磁同步直线电机模型以电机三相电压U_abc、电机磁链F_f、以及负载转矩F_L为输入量，输出量为电磁转矩F_e、电机转速V、电机三相电流I_abc、电机转角theta，通过以下永磁同步直线电机状态方程建立模型：

τ_e＝n_p[(L_d-L_q)i_di_q+Φi_q]

第四步，在Matlab/Simulink环境下进行仿测试，验证可行性；如图4所示，系统采用i_d＝0的控制方式，电流控制器与速度控制器都采用PI控制，其中速度反馈信号和位置信号来自SMC-MRAS模块，SMC-MRAS速度观测模型的切换函数参数选取为：a＝b＝0.5，c＝0，d＝500，m＝1，滑模系数按照滑模存在条件设为10000，滤波器截至频率设为5kHz，电机电压为310V；

第五步，分析永磁同步直线电机滑模-自适应(SMC-MRAS)无速度传感器控制系统可靠性与先进性：系统运行在负载转矩为1N，0.2秒时变为3N情况下，如图5-6所示，永磁同步直线电机设定转速为200r/s，其转速最大误差在4r/s以内，稳定误差小于1r/s，误差率在0.5％以内，达到设计目标；当额定转速由150r/s突变直200r/s且负载转矩为3N，系统转速估计如图7-8所示，转速估计仍然精确稳定；最大转速估计误差在5r/s以内，稳定转速估计误差仍小于1r/s，以上说明系统在稳定运行与暂态运行时都可保证系统稳定且可靠。

本实施例建立的滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型中滑模变结构最显著的特征就是滑模动态的存在使得系统一旦进入滑模状态，系统运动都将保持在切换面或其邻域上，合适的滑模面能够使系统快速达到稳定。

本实施例在控制率方面，采用sigmoid函数作为切换函数，传统的Sgn函数是不连续开关函数，在滑模运动的系统由于参数的摄动、外部扰动等因素会带来不可避免的抖振，为改善抖振问题采用开关较为平滑的双曲正切函数，减少相位延迟环。

Claims (1)

1.一种永磁同步直线电机的无速度传感器控制方法，其特征在于实现永磁同步直线电机无速度传感器控制的具体过程为：

(1)确定并分析永磁同步直线电机状态参数，包括参考模型的dq轴电流i_d和i_q以及可调模型dq轴电流和将永磁同步直线电机作为参考模型，并联可调模型为电流模型，根据i_d与以及i_q与的误差构建滑模面S，其中坐标变换abc-αβ公式为：

两相静止坐标系变两相旋转坐标系变换公式αβ-dq为：

忽略电机铁心的磁饱和，永磁体的磁导率为0，不计永磁同步直线电机的涡流损耗、磁滞损耗，永磁同步直线电机的d-q坐标系下的数学模型为：

式中U_d和U_q为电机定子d、q轴的电压，L_q和L_d分别为d、q轴的定子电感，对于表面式PMSLM，L_q＝L_q；Ф_d为d轴磁链；

PMSLM的推理方程为：

由公式可知，采用i_d＝0的控制方式使电机的推力达到最大，通过空间矢量脉冲宽度调制技术为驱动模块提供六路控制信号，通过控制信号的频率和占空比来达到实时电机转矩控制；

永磁同步直线电机的机械运动方程为：

式中M为电机转子的质量，F_L为电机负载大小，B为电机摩擦系数；

第二步，建立SMC-MRAS速度观测模型，SMC-MRAS速度观测模型包括电机参考模型和电机可调模型，其中电机参考模型为电机参数数学模型，其方程为：

τ_e＝n_p[(L_d-L_q)i_di_q+Φi_q]

电机可调模型方程为：

式中，

令i′_q＝i_q，u'_q＝u_q，则上式简化为：

式中：为定子电流估计值d、q轴分量，为定子角速度估计值；定义状态误差则i_d与的误差以及i_q与的误差表示为：

利用误差构造如下滑模面：

SMC-MRAS速度观测模型的估计速度为

其中sigmoid函数为通过改变sigmoid函数中的参数，控制其突变的时间和幅度，其中a和b值控制输出突变的负值，c值控制输出突变的时间，d值调节sigmoid函数的斜度，m值控制跳变的范围；最后通过速度传递函数与低通滤波器得到速度估计值：

根据Popov超稳定原理，当电机运行时，显然当M选择的足够大时，当s>0，则当s<0，则即满足广义滑模的存在条件；

第三步，搭建永磁同步直线电机模型，永磁同步直线电机模型以电机三相电压U_abc、电机磁链F_f、以及负载转矩F_L为输入量，输出量为电磁转矩F_e、电机转速V、电机三相电流I_abc、电机转角theta，通过以下永磁同步直线电机状态方程建立模型：

τ_e＝n_p[(L_d-L_q)i_di_q+Φi_q]

第四步，在Matlab/Simulink环境下进行仿测试，采用i_d＝0的控制方式，电流控制器与速度控制器都采用PI控制，其中速度反馈信号和位置信号来自SMC-MRAS速度观测模型，SMC-MRAS速度观测模型的切换函数参数选取为：a＝b＝0.5，c＝0，d＝500，m＝1，滑模系数按照滑模存在条件设为10000，低通滤波器截至频率设为5kHz，电机电压为310V；

第五步，分析永磁同步直线电机滑模-自适应(SMC-MRAS)速度观测模型的可靠性与先进性，在负载转矩为1N，0.2秒时变为3N情况下，永磁同步直线电机设定转速为200r/s，其转速最大误差在4r/s以内，稳定误差小于1r/s，误差率在0.5％以内，达到设计目标；当额定转速由150r/s突变直200r/s且负载转矩为3N，系统转速估计仍然精确稳定；最大转速估计误差在5r/s以内，稳定转速估计误差仍小于1r/s。