CN109495048A - 基于mrac观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其技术特点是：将改进后的基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块接入到永磁体同步电机调速系统上，对电机转子位置和转速的检测；将两相旋转坐标系下的定子电流id和iq以及两个电流环PI控制器输出的电压参考值ud和电压参考值uq输入到基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块中；基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器对数据处理后得到估计的电机转速和转子角度位置用于速度反馈以及PARK变换和IPARK变换。本发明采用超螺旋滑模算法代替传统模型参考自适应观测器中的PI环节，使永磁同步电机调速系统具有较强的鲁棒性和抗扰性能，提高了对电机转速和转子位置的估计精度。

Description

基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，尤其是一种基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法。

背景技术

近年来，随着各种稀土资源的开发利用，永磁同步电机的应用越来越广泛。为实现对永磁同步电机的高性能控制，对于转速和转子位置的精确测量是必不可少的，转子位置和速度可以通过安装在电机轴承上的机械编码器获得，但在各种复杂的工作环境下，机械编码器的测量精度和稳定性都会受到影响，而且机械编码器的价格也比较昂贵，增加了永磁同步电机控制系统的成本。因此，针对永磁同步电机无传感器技术的研究具有重要意义。

现阶段永磁同步电机无位置传感器控制方法可以分为两大类：第一类主要是针对永磁同步电机的零速启动和低速运行阶段的控制方法，这类方法主要利用永磁同步电机的凸级特性，典型的代表就是高频信号注入法，这种方法存在需要外加高频信号发生器等设备实现起来较为困难、容易引起转矩脉动等问题。第二类方法主要针对永磁同步电机的中高速运行阶段，这类方法依赖电机的基波模型，主要包括模型参考自适应法、滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波器等方法。滑模观测器方法存在固有的抖振问题，影响观测精度，扩展卡尔曼滤波器方法涉及复杂的矩阵求逆和递推计算，实现起来较为困难。传统的模型参考自适应(MRAC)观测器基于永磁同步电机的电流模型计算参考模型和可调模型的差值，通过PI自适应机构调节电机转速，实现对电机转速的辨识，但PI自适应机构的参数整定比较困难，而且鲁棒性和抗扰性能都比较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，解决传统模型参考自适应观测器中PI自适应机构鲁棒性和抗扰性差的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块接入到永磁体同步电机调速系统上，代替机械编码器；

步骤2：检测永磁同步电机三相定子电流ia、ib、ic并将检测得到的三相定子电流ia、ib、ic输入到CLARK变换模块，经CLARK变换模块变换得到两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ；

步骤3：将两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ输入PARK变换模块，经PARK变换模块变换得到两相旋转坐标系下的定子电流id和iq；

步骤4：将两相旋转坐标系下的定子电流id和iq分别输入到两个电流环PI控制器，然后将两相旋转坐标系下的定子电流id和iq以及两个电流环PI控制器输出的d轴电压参考值ud和q轴电压参考值uq输入到基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块中；

步骤5：基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器对输入数据进行处理，得到估计的电机转速和转子角度位置

步骤6：将估计得到的电机转速和速度给定值作差之后输入转速环PI控制器中，得到q轴电流参考值iq*；

步骤7：将步骤6得到的q轴电流参考值iq*和步骤3得到的定子电流iq做差之后输入到一个电流环PI控制器中，得到q轴电压参考值uq，同时将d轴电流参考值id*＝0和步骤3得到的定子电流id作差输入到另一个电流环PI控制器中，得到d轴电压参考值ud；

步骤8：将步骤7得到的d轴和q轴的电压参考值ud和uq输入到IPARK变换模块中，变换得到两相静止坐标系下电压参考值uα和uβ；

步骤9：将步骤8得到的两相静止坐标系下电压参考值uα和uβ输入到SVPWM调制模块中，进而生成SVPWM波对逆变器进行驱动，逆变器输出对应频率的三相正弦交流电，实现对永磁同步电机的驱动控制。

所述步骤1的具体接入方法为：所述基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输入端与PARK变换模块输出的两相旋转坐标系下的定子电流id和iq、两个电流环PI控制器输出的d轴和q轴的电压参考值ud和uq相连接，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输出的电机转速与速度给定值作差之后输入到转速环PI控制器，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输出的转子角度位置输入到PARK模块和IPARK模块上。

所述步骤5基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器采用下式计算电机转速和转子角度位置

其中，k₁和k₂为积分系数；sign为符号函数；s为滑模面，其表达式为：

式中，和分别是两相旋转坐标系下定子电流i_d和i_q的估计值；L是永磁同步电机的定子电感，为转子磁链系数。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明根据模型参考自适应理论和超螺旋滑模算法，构建出的改进型模型参考自适应观测器，采用超螺旋滑模控制方法代替传统模型参考自适应观测器中的PI自适应机构，得到的基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器能准确地估计电机转速和转子位置，其利用滑模变结构控制的特点，使得永磁同步电机调速系统具有较强的鲁棒性和抗扰性能，提高了对电机转速和转子位置的估计精度。

2、本发明采用二阶超螺旋滑模控制方法，由于超螺旋滑模对不连续的开关函数进行了处理，在不加入低通滤波器等附加机构的前提下，克服了一阶滑模存在的抖振问题，相比于用一阶滑模替代模型参考自适应观测器中的PI自适应机构，在保证了系统具有较强鲁棒性和抗扰性的前提下，进一步提高了对电机转速和转子位置的估计精度。

附图说明

图1为基于模型参考自适应观测器的永磁体同步电机调速系统原理图；

图2为基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本发明是在图1所示的基于模型参考自适应观测器的永磁体同步电机调速系统上实现的，该系统包括两个电流环PI控制器(PI1、PI2)、转速环PI控制器(PI3)、IPARK变换模块、SVPWM调制模块、逆变桥电路、永磁同步电机本体、CLARK变换模块、PARK变换模块以及基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块，所述基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输入端与PARK变换模块的两个输出端及两个电流环PI控制器(PI1和PI2)输出端相连，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输出的电机转速与速度给定值作差之后输入到转速环PI控制器，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输出的转子角度位置输入到PARK模块和IPARK模块上。

本发明的基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法是在基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器的基础上实现的。

一种基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块接入到永磁体同步电机调速系统上，代替机械编码器；

步骤2：检测永磁同步电机三相定子电流ia、ib、ic并将检测得到的三相定子电流ia、ib、ic输入到附图1中的CLARK变换模块，变换得到两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ。

步骤3：将两相静止坐标系下定子电流iα和iβ输入到附图1中的PARK变换模块，变换得到两相旋转坐标系下的定子电流id和iq。

步骤4：将两相旋转坐标系下的定子电流id和iq输入到两个电流环PI控制器中进行反馈，然后，如附图1所示，将id、iq以及两个电流环PI控制器的输出ud和uq输入到基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块中。

步骤5：对输入到基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器的输入进行处理，进而得到估计的电机转速和转子角度位置如附图1所示，估计得到的转子角度位置用于PARK变换和IPARK变换。

在本步骤中，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器的设计过程、以及实现对转速和转子位置的估计方法说明如下：

首先，建立基于两相旋转坐标系下的永磁同步电机定子电流方程：

其中R和L分别是永磁同步电机的定子电阻和电感，ω_e是永磁同步电机的电角速度，i_d、u_d、i_q、u_q分别是d轴电流和电压分量、q轴电流和电压分量，为转子磁链系数。

为了便于对模型参考自适应观测器中的可调模型的建立，现在对上式进行变换：

进一步地，结合附图2来看，首先定义：

式中i_d'i_q'u_d'u _q'分别是i_d i_q u_d u_q的变换值。结合式(2)和式(3)，建立模型参考自适应中观测器中的可调模型，可得：

其中均为对应变量的估计值。

之后，将电机本体作为模型参考自适应观测器的参考模型。

定义状态误差：其中e＝[e_d e_q]^T，i'＝[i_d' i_q']^T，将参考模型和可调模型做差，可得：

其中，

根据Popov超稳定性理论，可以得到转速的估计值为：

其中，K_p和K_i分别为比例系数和积分系数。之后，将式(3)带入式(6)，可得：

这就是传统形式的模型参考自适应观测器中的PI自适应机构，得到了转速的估计值，同时结合图2来看，转速估计值也是可调模型中的可调参数，对其进行积分可以得到当前转子的角度位置。

本专利中，采用超螺旋滑模控制方法替代式(7)中的PI自适应机构，下面进行具体的说明。

首先选取参考模型和可调模型之差作为滑模面：

滑模变结构控制的思想是将系统状态吸引到设计好的滑模面上，然后系统状态将按照设定好的轨迹运动到平衡点上，当系统状态到达滑模面上时，有因此，对式(8)进行求导，并结合式(1)，可得：

结合式(9)来看，当系统到达滑模面时，即时，如果参考模型和可调模型的输出之差为0，也就是时，此时的估计转速将等于实际电机转速，这样就实现了对电机转速的精准估计，为使得参考模型和可调模型的输出之差为0，引入超螺旋滑模控制器代替传统的PI自适应机构，超螺旋滑模的表达式如下：

通过式(10)我们可以看出，相比于一阶滑模，超螺旋滑模将不连续的开关函数sign进行了近似的连续化处理，分别将其和连续项相乘以及进行积分处理，这样的话，在很大程度上抑制了一阶滑模存在的抖振问题，能够有效的提高对转速和转子位置的观测精度。

为证明超螺旋滑模控制器的稳定性，采用Lyapunov方法对其稳定性进行证明：

首先结合式(10)选取状态变量，

λ^T＝[λ₁,λ₂]＝[|x₁|^1/2sign(x₁),x₂] (11)

对其进行求导可得：

其中|λ₁|＝|x₁|^1/2，之后构造Lyapunov函数：

V(x)＝λ^TPλ (13)

其中，式(12)、(13)和(14)中的A、P、Q满足Lyapunov方程：

A^TP+PA＝-Q (15)

结合Lyapunov理论，有如下四条性质相互等价：

1.平衡状态λ₁＝λ₂＝0是大范围渐近稳定的。

2.A是Hurwitz的，即A的特征根均具有负实部。

3.式(10)中的常系数也就是A中的k₁k₂均大于0。

4.对于任意给定的正定实对称阵Q,均存在正定的实对称阵P，两者满足式(15)。

综上所述，在超螺旋滑模的控制下，系统状态能够到达平衡点λ₁＝λ₂＝0，也就是x₁＝x₂＝0，并保持稳定。现在选取设定好的滑模面也就是式(8)作为超螺旋滑模方程(10)中的x₁，则可以得到转速的估计值为：

转子的角度位置可以通过对式(16)积分获得：

进而当系统状态在超螺旋滑模的控制下到达平衡点时，就能实现对电机转速和转子位置的精确估计，也验证了基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器的有效性和优势。

步骤6：将估计得到的电机转速进行反馈，和速度给定值作差之后输入到如附图1所示的转速环PI控制器中，得到q轴电流参考值iq*。

步骤7：将步骤6得到的iq*和步骤3得到的反馈的iq做差之后输入到如附图1所示的电流环PI控制器中，得到q轴电压参考值uq，同时将d轴电流参考值id*＝0和步骤3得到的反馈的id作差输入到电流环PI控制器中，得到d轴电压参考值ud。

步骤8：将步骤7得到的d轴和q轴的电压参考值ud和uq输入到如附图1所示的IPARK变换模块中，变换得到两相静止坐标系下电压参考值uα和uβ。

步骤9：将步骤8得到的uα和uβ输入到SVPWM调制模块中，进而生成SVPWM波对逆变器进行驱动，逆变器输出对应频率的三相正弦交流电，实现对永磁同步电机的驱动控制，之后再次循环步骤1。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块接入到永磁体同步电机调速系统上，代替机械编码器；

步骤2：检测永磁同步电机三相定子电流ia、ib、ic并将检测得到的三相定子电流ia、ib、ic输入到CLARK变换模块，经CLARK变换模块变换得到两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ；

步骤3：将两相静止坐标系下的定子电流iα和iβ输入PARK变换模块，经PARK变换模块变换得到两相旋转坐标系下的定子电流id和iq；

步骤4：将两相旋转坐标系下的定子电流id和iq分别输入到两个电流环PI控制器，然后将两相旋转坐标系下的定子电流id和iq以及两个电流环PI控制器输出的d轴电压参考值ud和q轴电压参考值uq输入到基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块中；

步骤5：基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器对输入数据进行处理，得到估计的电机转速和转子角度位置

步骤6：将估计得到的电机转速和速度给定值作差之后输入转速环PI控制器中，得到q轴电流参考值iq*；

步骤7：将步骤6得到的q轴电流参考值iq*和步骤3得到的定子电流iq做差之后输入到一个电流环PI控制器中，得到q轴电压参考值uq，同时将d轴电流参考值id*＝0和步骤3得到的定子电流id作差输入到另一个电流环PI控制器中，得到d轴电压参考值ud；

步骤8：将步骤7得到的d轴和q轴的电压参考值ud和uq输入到IPARK变换模块中，变换得到两相静止坐标系下电压参考值uα和uβ；

步骤9：将步骤8得到的两相静止坐标系下电压参考值uα和uβ输入到SVPWM调制模块中，进而生成SVPWM波对逆变器进行驱动，逆变器输出对应频率的三相正弦交流电，实现对永磁同步电机的驱动控制。

2.根据权利要求1所述基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体接入方法为：所述基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输入端与PARK变换模块输出的两相旋转坐标系下的定子电流id和iq、两个电流环PI控制器输出的d轴和q轴的电压参考值ud和uq相连接，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输出的电机转速与速度给定值作差之后输入到转速环PI控制器，基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器模块输出的转子角度位置输入到PARK模块和IPARK模块上。

3.根据权利要求1所述基于MRAC观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于：所述步骤5基于超螺旋滑模的模型参考自适应观测器采用下式计算电机转速和转子角度位置

其中，k₁和k₂为积分系数；sign为符号函数；s为滑模面，其表达式为：

式中，和分别是两相旋转坐标系下定子电流i_d和i_q的估计值；L是永磁同步电机的定子电感，为转子磁链系数。