CN109600091A - 一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法 - Google Patents

一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机速度控制技术领域，涉及一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法，采用MRAS原理构建速度观测器模型，为利用SMC‑MRAS转速辨识法，选用PMSM电机本身为参考模型，定子电流模型为可调模型，利用两种模型输出差值构造滑模面S，提高速度观测精度，同时，滑模控制使用Sigmoid函数代替传统的Sgn函数作为切换函数，建立起滑模观测器模型，使系统的具有较好的动静态稳定性；然后通过Matlab/Simulink运行仿真，通过改变参考速度值以及改变负载转矩来证明MRAS与SMC结合的转速观测方法在PMSM无速度传感器直接转矩控制系统中具有较强的鲁棒性和较好的动静态性能。

Description

一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法
技术领域：
本发明属于电机速度控制技术领域，涉及一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法，特别是对永磁同步电机(PMSM)无速度传感器的控制。
背景技术
永磁同步电机采用永磁体作为转子提供旋转磁场，不需要外部励磁，可获得极高的功率密度以及转矩/惯量。永磁同步电机具有发热小、结构简单、体积和噪声小的优点在中小型运动控制系统中得到广泛应用，成为研究与应用的重要领域。永磁同步电机的精准控制需要提供准确的转子位置和转速，传统的转子信息采集大多通过速度传感器或者光电编码器、旋转变压器等装置。采用上述方式会增加电机的体积、安装成本增加、安装维护困难、外界干扰等问题。因此，永磁同步电机的无速度传感器控制一直称为研究的热点。
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，设计一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法，能够改进传统控制方式下的速度传感器速度估计精度，提高系统的动态稳定性。
为了达到上述目的，本发明实现高精度速度要求电机无速度传感器控制的具体过程为：
(1)建立PMSM控制系统的数学模型，按转子磁场定向理论，PMSM在d-q轴同步旋转坐标系下的数学模型可表示为：
式中：Ld和Lq分别为dq同步旋转坐标系下的定子电感，id，iq，ud，uq分别为dq坐标系下的定子电流和电压，Rs为定子电阻，np为极对数，ω为转子机械角速度，Φ为永磁体产生的磁链，J为转动惯量，τe为电磁转矩，τL为负载转矩，B为摩擦系数；
两相静止坐标系变两相旋转坐标系变换公式(αβ-dq)为：
在PMSM控制系统中采用idref＝0控制，并通过设计转速控制器得到参考电流iqref将负载转矩作为扰动变量，令状态变量x＝ω，输入变量u＝iq，输出变量y＝h(x)＝ω；
(2)利用PMSM电流误差模型构造滑模面进行电机速度稳定性控制，根据滑模变结构控制理论，选取切换控制函数：
式中：为在α、β坐标系系的电流估计值；is为电流实际值。
根据PMSM将公式(1)经过dq-αβ的数学模型，构造SMO数学模型：
当K1>max(max|eα|,eβ)时，状态变量将在滑模面上进行滑模运动，其中：
K1代表滑模系数；
PMSM在α、β坐标系下的定子反电动势表示为zα，zβ：
为提高估计精度，并减小系统抖振，要对zα、zβ进行低通滤波，即：
式中，ωcutoff表示低通滤波器的截止频率；
综合公式(3)-(6)，得出位置和转速估计值：
由于进行滤波处理后会产生相位滞后，需要进行相位补偿，先将Sgn函数改成Sat函数，即：
再将Sat函数换成Sigmoid函数，即：
通过改变Sigmoid函数中的参数控制其突变的时间和幅度；
滑模变结构控制系统(是指滑模变结构控制系统是指存在一个(或几个)切换函数，当系统的状态达到切换函数值时，系统从一个结构转换成另一个结构的系统。在本发明中指的是在电机控制中，根据滑模变结构控制理论，使用Sigmoid函数作为切换控制函数，通过改变速度值获取较好的动态稳定性)的运动由趋近运动和滑模运动组成，其中趋近运动需满足滑动模态存在性和可达性条件，即满足广义滑动模态的存在条件：
结合公式(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、电流误差模型公式、滑模面公式进一步得到：
其中，f是关于参考电流、估计电流、速度及电机参数的有效函数，即其必有一个上限值，当电机运行时，当M选择的足够大时，当s>0，则当s<0，则既满足广义滑模的存在条件；在开始滑模运动后，要求系统是渐进稳定的，并具有良好的动态品质，如果系统进入滑动模态控制，则结合稳定性理论公式(稳定性理论公式指的是Popov超稳定原理中的得：
由式(10)可知，当估计电流值趋近于参考电流时，其估计等效速度也趋近于真实速度，其通过低通滤波器(Low-Pass Filter，LPF)滤波得到的低频分量即为等效速度，同时也可以求出转角；
(3)采用SVPWM进行电机电压、电流控制，SVPWM控制算法的工作原理为：当三相交流对称正弦电压对电机供电时，交流电机在空间中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，若以交流电机中的理想磁链圆为基准圆，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用正多边形磁链近似圆形磁链，以形成旋转磁场，达到控制电机的目的；
当三相逆变器(180°导通方式)对PMSM供电时，定子电压由逆变器三组6个功率管的开关状态确定，逆变器可以输出8个电压空间矢量，其中，6个非零电压矢量按每区60°将磁链圆分成6个区间，每个矢量长度均等于2UDC/3，(0 0 0)和(1 1 1)两个状态矢量为零矢量，其长度等于零；
采用id＝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滑模速度估计模块，公式(8)中的Sigmoid函数参数选取为：b＝1，c＝0.1，m＝1，n＝2，电机电压为310V。
本发明先采用MRAS原理构建速度观测器模型，为解决PMSM中MRAS对参数敏感的问题，又提出SMC-MRAS转速辨识法，选用PMSM电机本身为参考模型，定子电流模型为可调模型，利用两种模型输出差值构造滑模面S，提高速度观测精度，同时，滑模控制使用Sigmoid函数代替传统的Sgn函数作为切换函数，建立起滑模观测器模型，使系统的具有较好的动静态稳定性；然后通过Matlab/Simulink运行仿真，通过改变参考速度值以及改变负载转矩来证明MRAS与SMC结合的转速观测方法在PMSM无速度传感器直接转矩控制系统中具有较强的鲁棒性和较好的动静态性能。
本发明与现有技术相比，能有效减小抖振，提高永磁同步电机的速度控制精度，减小速度估计的动、静态误差。
附图说明：
图1是本发明所述无速度传感器控制框图。
图2为本发明所述滑模观测器模型结构图。
图3为本发明所述空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)方法模型图；
图4为本发明所述永磁同步电机无速度传感器控制原理图。
具体实施方式：
下面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电机控制系统通常采用转速、电流双闭环控制结构，基于连续时间系统的方法设计外环转速跟踪控制器，使电机实际输出转速跟踪给定转速值，具体过程为：
(1)建立PMSM控制系统的数学模型，按转子磁场定向理论，PMSM在d-q轴同步旋转坐标系下的数学模型可表示为：
式中：Ld和Lq分别为dq同步旋转坐标系下的定子电感，id，iq，ud，uq分别为dq坐标系下的定子电流和电压，Rs为定子电阻，np为极对数，ω为转子机械角速度，Φ为永磁体产生的磁链，J为转动惯量，τe为电磁转矩，τL为负载转矩，B为摩擦系数；
两相静止坐标系变两相旋转坐标系变换公式(αβ-dq)为：
在PMSM控制系统中采用idref＝0控制，并通过设计转速控制器得到参考电流iqref将负载转矩作为扰动变量，令状态变量x＝ω，输入变量u＝iq，输出变量y＝h(x)＝ω；
(2)利用PMSM电流误差模型构造滑模面进行电机速度稳定性控制，根据滑模变结构控制理论，选取切换控制函数：
式中：为在α、β坐标系系的电流估计值；is为电流实际值。
根据PMSM将公式(1)经过dq-αβ的数学模型，构造SMO数学模型：
当K1>max(max|eα|,eβ)时，状态变量将在滑模面上进行滑模运动，其中：
K1代表滑模系数；
PMSM在α、β坐标系下的定子反电动势表示为zα，zβ：
为提高估计精度，并减小系统抖振，要对zα、zβ进行低通滤波，即：
式中，ωcutoff表示低通滤波器的截止频率；
综合公式(3)-(6)，得出位置和转速估计值：
由于进行滤波处理后会产生相位滞后，需要进行相位补偿，先将Sgn函数改成Sat函数，即：
再将Sat函数换成Sigmoid函数，即：
通过改变Sigmoid函数中的参数控制其突变的时间和幅度；
滑模变结构控制系统(是指滑模变结构控制系统是指存在一个(或几个)切换函数，当系统的状态达到切换函数值时，系统从一个结构转换成另一个结构的系统。在本发明中指的是在电机控制中，根据滑模变结构控制理论，使用Sigmoid函数作为切换控制函数，通过改变速度值获取较好的动态稳定性)的运动由趋近运动和滑模运动组成，其中趋近运动需满足滑动模态存在性和可达性条件，即满足广义滑动模态的存在条件：
结合公式(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、电流误差模型公式、滑模面公式进一步得到：
其中，f是关于参考电流、估计电流、速度及电机参数的有效函数，即其必有一个上限值，当电机运行时，当M选择的足够大时，当s>0，则当s<0，则既满足广义滑模的存在条件；在开始滑模运动后，要求系统是渐进稳定的，并具有良好的动态品质，如果系统进入滑动模态控制，则结合稳定性理论公式(稳定性理论公式指的是Popov超稳定原理中的得：
由式(10)可知，当估计电流值趋近于参考电流时，其估计等效速度也趋近于真实速度，其通过低通滤波器(Low-Pass Filter，LPF)滤波得到的低频分量即为等效速度，同时也可以求出转角；
(3)采用SVPWM进行电机电压、电流控制，SVPWM控制算法的工作原理为：当三相交流对称正弦电压对电机供电时，交流电机在空间中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，若以交流电机中的理想磁链圆为基准圆，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用正多边形磁链近似圆形磁链，以形成旋转磁场，达到控制电机的目的；
当三相逆变器(180°导通方式)对PMSM供电时，定子电压由逆变器三组6个功率管的开关状态确定，逆变器可以输出8个电压空间矢量，如图2所示；其中，6个非零电压矢量按每区60°将磁链圆分成6个区间，每个矢量长度均等于2UDC/3。(0 0 0)和(1 1 1)两个状态矢量为零矢量，其长度等于零；
如图4所示，采用id＝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滑模速度估计模块，公式(8)中的Sigmoid函数参数选取为：b＝1，c＝0.1，m＝1，n＝2，电机电压为310V。

Claims (1)

1.一种高精度速度要求电机的无速度传感器控制方法，具体过程为：
(1)建立PMSM控制系统的数学模型，按转子磁场定向理论，PMSM在d-q轴同步旋转坐标系下的数学模型可表示为：
式中：Ld和Lq分别为dq同步旋转坐标系下的定子电感，id，iq，ud，uq分别为dq坐标系下的定子电流和电压，Rs为定子电阻，np为极对数，ω为转子机械角速度，Φ为永磁体产生的磁链，J为转动惯量，τe为电磁转矩，τL为负载转矩，B为摩擦系数；
两相静止坐标系变两相旋转坐标系变换公式αβ-dq为：
在PMSM控制系统中采用idref＝0控制，并通过设计转速控制器得到参考电流iqref将负载转矩作为扰动变量，令状态变量x＝ω，输入变量u＝iq，输出变量y＝h(x)＝ω；
(2)利用PMSM电流误差模型构造滑模面进行电机速度稳定性控制，根据滑模变结构控制理论，选取切换控制函数：
式中：为在α、β坐标系系的电流估计值；is为电流实际值。
根据PMSM将公式(1)经过dq-αβ的数学模型，构造SMO数学模型：
当K1>max(max|eα|,eβ)时，状态变量将在滑模面上进行滑模运动，其中：
K1代表滑模系数；
PMSM在α、β坐标系下的定子反电动势表示为zα，zβ：
为提高估计精度，并减小系统抖振，要对zα、zβ进行低通滤波，即：
式中，ωcutoff表示低通滤波器的截止频率；
综合公式(3)-(6)，得出位置和转速估计值：
由于进行滤波处理后会产生相位滞后，需要进行相位补偿，先将Sgn函数改成Sat函数，即：
再将Sat函数换成Sigmoid函数，即：
通过改变Sigmoid函数中的参数控制其突变的时间和幅度；
滑模变结构控制系统的运动由趋近运动和滑模运动组成，其中趋近运动需满足滑动模态存在性和可达性条件，即满足广义滑动模态的存在条件：
结合公式(1)、(2)、(6)、(7)、(8)、电流误差模型公式、滑模面公式进一步得到：
其中，f是关于参考电流、估计电流、速度及电机参数的有效函数，即其必有一个上限值，当电机运行时，当M选择的足够大时，当s>0，则当s<0，则既满足广义滑模的存在条件；在开始滑模运动后，要求系统是渐进稳定的，并具有良好的动态品质，如果系统进入滑动模态控制，则结合稳定性理论公式得：
由式(10)可知，当估计电流值趋近于参考电流时，其估计等效速度也趋近于真实速度，其通过低通滤波器滤波得到的低频分量即为等效速度，同时也可以求出转角；
(3)采用SVPWM进行电机电压、电流控制，SVPWM控制算法的工作原理为：当三相交流对称正弦电压对电机供电时，交流电机在空间中产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，若以交流电机中的理想磁链圆为基准圆，用逆变器不同的开关模式所产生的有效矢量来逼近基准圆，即用正多边形磁链近似圆形磁链，以形成旋转磁场，达到控制电机的目的；
当三相逆变器对PMSM供电时，定子电压由逆变器三组6个功率管的开关状态确定，逆变器可以输出8个电压空间矢量，其中，6个非零电压矢量按每区60°将磁链圆分成6个区间，每个矢量长度均等于2UDC/3，(0 0 0)和(1 1 1)两个状态矢量为零矢量，其长度等于零；
采用id＝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滑模速度估计模块，公式(8)中的Sigmoid函数参数选取为：b＝1，c＝0.1，m＝1，n＝2，电机电压为310V。
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