CN111865167A - 一种基于滑模观测器的pmslm无位置传感器矢量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法。为了解决闭环控制系统所存在的一些弊端，需要额外的外部辅助电路模块才能正常工作，同时也存在着一些空间约束等问题。本方法将无位置传感器控制技术应用于PMSLM的直接驱动控制系统中，在该基础上，本项目还在位置、速度、电流三闭环结构上，采用数字PID算法加强各环节间的实时控制。最后借助Matlab/Simulink平台搭建电机矢量控制系统仿真模型，最终实现直线电机的高精密位置跟踪，从而有效地克服了以上位置传感器所带来的局限性。

Description

一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法
技术领域
本发明涉及传感器矢量控制方法，尤其涉及一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法。
背景技术
目前，国内外越来越重视直线电机的人才培养，许多的科研院所、高校都纷纷成立了直线电机的科研机构、项目课题组以及和企业公司的产学研合作项目。在国外，如美国、德国、日本的不少商业巨头与当地名校的科研学者合作，开发出各种性能优异的直线电机产品。在国内，虽然开始研究的时间较晚，但也获得重大进展。诸如浙江大学、西安交通大学等国内院校、研究所都纷纷加入了对直线电机的研究并取得了重大科研成绩，推动国内直线电机更全面的发展。由此可得对永磁同步直线电机高精度估算控制系统的研究对我国直线电机产业甚至整个制造业的提升都有很重要的意义。
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动，而不需要通过中间机械传动变换的新颖电机，具有加速度大，推力密度高而推力波动小等优点，具有广泛的应用和发展前景。围绕对永磁同步直线电机控制系统的高精密控制，目前有以FPGA为控制核心和以DSP为主核心的两种解决方案。FPGA并行性、实时性好，但成本高，不易控制，多应用于多电机平台，对于本项目的单电机运行，并不适用；DSP集成方便、稳定性好、接口多、功耗低，是通用的信号处理器，在数控机床等工业控制领域得到了广泛应用。因此，本项目以DSP作为主控芯片对永磁同步直线电机实现高精密矢量控制，这在高精密数控机床等众多领域具有重要的理论意义和实践价值。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法。
本发明提出的一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，包括以下步骤：
S1：对PMSLM不同坐标系下的数学模型的分析，建立不同坐标系，并对在不同坐标系下的永磁同步直线电机的数学模型进行分析，按照Clark和Park变换原则，可以保证坐标变换时电机内部能量转变方式不会发生变化。
S2：对矢量控制原理的研究与分析，基波合成磁动势在坐标变换前后等效的原则是PMSLM矢量控制的核心，用SVPWM对驱动输出进行调制，首先确定某时刻下所在的扇区，然后将该扇区内零矢量的作用时间及相邻的电压矢量作用时间分别计算出来，获得PWM调制波的六路信号，来控制电压型逆变器的六个功率开关管，通过开关管的导通与关断得到电机需要的电压来驱动电机正常运行，最终完成矢量控制
S3：基于新型滑模观测器的无位置传感器控制技术，采用连续函数代替开关函数来削弱抖振，采用跟随速度变化的变截止频率滤波器得到良好的滤波效果，改进的方法将滑模观测器与锁相环结合在一起构成无传感器新型SMO来估算动子的位置和速度。
S4：采用三环控制结构：分别是内环电流环，速度环以及外环位置环。搭建永磁同步直线电机位置、速度、电流三闭环控制系统，实现控制系统高精密的要求。
S5：以DSP芯片TMS320F28335为核心的永磁同步直线电机调速系统的硬件部分，主要包括主控单元电路、驱动单元电路、三相逆变电路等实现系统硬件总体结构设计。
S6：采用控制芯片TMS320F28335，对控制系统基于此芯片的基础上的软件部分进行设计，主要分为主程序的设计和中断子程序的设计来实现系统软件结构设计。
S7：建立电机矢量控制系统仿真模型，对改进的滑模观测器的算法模型同样进行分析，证明了它具有良好的性能。搭建硬件平台，对系统硬件及软件流程进行设计，对系统硬件模块进行测试。
本发明的有益效果为：
(1) 采用无位置传感器控制技术，即利用实际测量到的电压、电流以及电机自身参数，利用算法来实时估计出直线电机子位置和速度，及时反馈给控制系统，形成闭环控制，实现PMSLM在没有位置传感器的情况下能够稳定运行和精确控制。
(2) 采用新型滑模观测器法进行估算，用饱和函数代替开关函数作为切换函数；锁相环模块代替反正切模块，估计转子速度位置，同时该模块后面需要加入角度补偿模块，从而对次延迟角进行相位补偿，减小位置观测误差；采用变截止频率低通滤波器代替一阶低通滤波器，具有很强的适应性，并且可以降低计算量，提高估算精度，有效改善观测效果。
附图说明
图1为基于滑模观测的永磁同步直线电机矢量控制系统框图；
图2为研究方案及技术路线示意图；
图3为系统硬件总体结构框图；
图4为主功率电路设计图；
图5为主程序流程图；
图6为中断程序流程图；
图7为SVPWM流程图；
图8为改进的滑模观测器模块流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，基于滑模观测的永磁同步直线电机矢量控制系统框图，一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，包括以下步骤：
S1：对PMSLM不同坐标系下的数学模型的分析，建立不同坐标系，并对在不同坐标系下的永磁同步直线电机的数学模型进行分析，按照Clark和Park变换原则，可以保证坐标变换时电机内部能量转变方式不会发生变化。
S2：对矢量控制原理的研究与分析，基波合成磁动势在坐标变换前后等效的原则是PMSLM矢量控制的核心，用SVPWM对驱动输出进行调制，首先确定某时刻下所在的扇区，然后将该扇区内零矢量的作用时间及相邻的电压矢量作用时间分别计算出来，获得PWM调制波的六路信号，来控制电压型逆变器的六个功率开关管，通过开关管的导通与关断得到电机需要的电压来驱动电机正常运行，最终完成矢量控制
S3：基于新型滑模观测器的无位置传感器控制技术，采用连续函数代替开关函数来削弱抖振，采用跟随速度变化的变截止频率滤波器得到良好的滤波效果，改进的方法将滑模观测器与锁相环结合在一起构成无传感器新型SMO来估算动子的位置和速度。
该项目的研究方案及技术路线示意图如下图2所示。本项目研究对象是永磁同步 直线电机，为了实现系统的三闭环控制，采用
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的控制方法，在MATLAB/Simulink仿真软 件中搭建仿真模块，仿真分析改进方法的可行性和有效性。DSP的主控制核心芯片采用的是 TMS320F28335，电源驱动板采用专用驱动芯片DRV8301，基于此设计了矢量控制系统的软件 部分和硬件部分。
S4：采用三环控制结构：分别是内环电流环，速度环以及外环位置环。搭建永磁同步直线电机位置、速度、电流三闭环控制系统，实现控制系统高精密的要求。
S5：以DSP芯片TMS320F28335为核心的永磁同步直线电机调速系统的硬件部分，主要包括主控单元电路、驱动单元电路、三相逆变电路等实现系统硬件总体结构设计。系统硬件总体结构框图如下图三所示，其中主控单元电路包括TMS320F28335及外围电路、保护电路；驱动单元电路包括DRV8301及外围电路；三相逆变电路包括电压电流采样电路；动子位置检测电路包括霍尔传感器电路、隔离滤波电路。
图4为主功率电路设计图，本项目采用三相桥式逆变电路，其中逆变电路的6个MOSFET管采用IRF1010E型功率管。以U相为例来说明功率管工作原理，GHA=0且GLA=1时，VT1导通，VT4关闭；GHA=1且GLA=0时，VT1关闭，VT4导通；GHA=1且GLA=1时，VT1、VT4均关闭；其他两相情况与此类同。
通过检测高精度采样电阻实现对电流信号的采集，经驱动芯片的高性能电流分流放大器放大后输入DSP的ADCINB0,、ADCINB1端口和DRV8301的FAULT引脚，经过ADC转化后得到电流信息。当有过电流关断信号时三极管A5SHB导通时，DRV8301关断所有逻辑输出，通过DSP的外部中断口INT0触发过流中断保护。在电机绕组回路接入电压检测电路以便实时获取电压值，当VA、VB、VC端电压超过SPI命令编程所设定的电压阈值3.3V时，DSP启动过压保护动作。
S6：采用控制芯片TMS320F28335，对控制系统基于此芯片的基础上的软件部分进行设计，主要分为主程序的设计和中断子程序的设计来实现系统软件结构设计。
主程序流程图如下图5所示。对系统以及各变量的初始化，各寄存器的配置，中断配置，死循环以及外设模块的配置都需要在主程序中实现。其中外设模块有SCI模块、AD转换模块以及EPWM模块等。当直流母线电压比较大时，就把安装在整流桥后面的预充电电阻切除，这个动作是通过继电器来实现的。与上位机实现通信功能是在死循环里实现的，当上位机发出命令，循环收到命令并动作，当触发中断时，系统进入中断子程序中，执行中断程序。
其中断程序流程图如下图6所示。PWM的中断程序是整个控制系统的核心，在中断程序中可以实现多种功能，包括对电压、电流的采样，各种坐标系之间的坐标变换，电流环PI的计算，以及速度和位置的估算和PWM脉冲的生成等，是电机控制的关键部分。
其流程图如下图7所示。SVPWM调制是对两相静止坐标系下的电压 ， 进行调制，得到PWM占空比，通过占空比的值来计算DSP比较寄存器的值，根据空间电压矢量脉宽调制算法来产生PWM波，这是构成SVPWM算法模块的主要原理。
图8为改进的滑模观测器模块流程图
改进滑模观测器数字表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
反电动势观测器近似离散化数字表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
S7：建立电机矢量控制系统仿真模型，对改进的滑模观测器的算法模型同样进行分析，证明了它具有良好的性能。搭建硬件平台，对系统硬件及软件流程进行设计，对系统硬件模块进行测试。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，其特征在于PMSLM具有大推力、大行程、高效率、结构简单等特点，所述方法包括以下步骤：
S1：对PMSLM不同坐标系下的数学模型的分析，建立不同坐标系，并对在不同坐标系下的永磁同步直线电机的数学模型进行分析，按照Clark和Park变换原则，可以保证坐标变换时电机内部能量转变方式不会发生变化；
S2：对矢量控制原理的研究与分析，基波合成磁动势在坐标变换前后等效的原则是PMSLM矢量控制的核心，用SVPWM对驱动输出进行调制，首先确定某时刻下所在的扇区，然后将该扇区内零矢量的作用时间及相邻的电压矢量作用时间分别计算出来，获得PWM调制波的六路信号，来控制电压型逆变器的六个功率开关管，通过开关管的导通与关断得到电机需要的电压来驱动电机正常运行，最终完成矢量控制；
S3：基于新型滑模观测器的无位置传感器控制技术，采用连续函数代替开关函数来削弱抖振，采用跟随速度变化的变截止频率滤波器得到良好的滤波效果，改进的方法将滑模观测器与锁相环结合在一起构成无传感器新型SMO来估算动子的位置和速度；
S4：采用三环控制结构：分别是内环电流环，速度环以及外环位置环，搭建永磁同步直线电机位置、速度、电流三闭环控制系统，实现控制系统高精密的要求；
S5：以DSP芯片TMS320F28335为核心的永磁同步直线电机调速系统的硬件部分，主要包括主控单元电路、驱动单元电路、三相逆变电路等实现系统硬件总体结构设计；
S6：采用控制芯片TMS320F28335，对控制系统基于此芯片的基础上的软件部分进行设计，主要分为主程序的设计和中断子程序的设计来实现系统软件结构设计；
S7：建立电机矢量控制系统仿真模型，对改进的滑模观测器的算法模型同样进行分析，证明了它具有良好的性能，搭建硬件平台，对系统硬件及软件流程进行设计，对系统硬件模块进行测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，其 特征在于，在S2中
Figure 348721DEST_PATH_IMAGE001
控制是所有矢量控制方法中相对简单的一种控制方式，这种控制 方式是指在控制过程中定子电枢电流的励磁分量始终为零，等效于直轴开路，电机采用这 种控制方式时，
Figure 328178DEST_PATH_IMAGE002
，定子上的电流很小，在相应范围内能够很好地降低绕组铜耗，提升 电机的工作效率。
3.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，针对传统滑模观测器存在的抖振，速度估算不精确与相位延迟等问题，新型滑模观测器采用连续函数代替开关函数来削弱抖振。
4.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，针对开环控制策略的永磁同步直线电机控制系统，因没有反馈环节，导致系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力，极易受到外部扰动和参数变化影响，稳定性差，响应时间长，精确度不高等缺点，利用搭建永磁同步直线电机位置、速度、电流三闭环控制系统，实现控制系统高精密的要求。
5.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，主控单元电路包括TMS320F28335及外围电路、保护电路；驱动单元电路包括DRV8301及外围电路；三相逆变电路包括电压电流采样电路；动子位置检测电路包括霍尔传感器电路、隔离滤波电路；
主功率电路设计通过检测高精度采样电阻实现对电流信号的采集，经驱动芯片的高性能电流分流放大器放大后输入DSP的ADCINB0,、ADCINB1端口和DRV8301的FAULT引脚，经过ADC转化后得到电流信息，当有过电流关断信号时三极管A5SHB导通时，DRV8301关断所有逻辑输出，通过DSP的外部中断口INT0触发过流中断保护，在电机绕组回路接入电压检测电路以便实时获取电压值，当VA、VB、VC端电压超过SPI命令编程所设定的电压阈值3.3V时，DSP启动过压保护动作；驱动和保护电路设计理论上通过软件或硬件法生成的6路PWM信号可以直接驱动功率管，但是实际上DSP引脚电流较小，不足以驱动MOS管，必须经过电平转换，反向器以及光电隔离来增大驱动电流，实现MOS管的驱动，DRV8301模块是专用的驱动芯片，芯片内部本身带有隔离放大的作用，所以芯片输出的PWM信号具有驱动功率管的能力，实现控制电机的目的；同时该驱动芯片内部包括保护电路的设计，当电路出现电压升高，电压降低，温度过高，以及电流过大时，电路可启动保护功能。
6.根据权利要求1所述的一种基于滑模观测器的PMSLM无位置传感器矢量控制方法，其特征在于：
(1)在主程序中当直流母线电压比较大时，就把安装在整流桥后面的预充电电阻切除，这个动作是通过继电器来实现的；
(2)在中断程序中实现多种功能，包括对电压、电流的采样，各种坐标系之间的坐标变换，电流环PI的计算，以及速度和位置的估算和PWM脉冲的生成等，是电机控制的关键部分；
(3)SVPWM程序设计，SVPWM调制是对两相静止坐标系下的电压，进行调制，得到PWM占空比，通过占空比的值来计算DSP比较寄存器的值，根据空间电压矢量脉宽调制算法来产生PWM波，这是构成SVPWM算法模块的主要原理；
(4)滑模观测器程序设计，改进滑模观测器数字表达式为：
Figure 701391DEST_PATH_IMAGE003
反电动势观测器近似离散化数字表达式为：
Figure 164776DEST_PATH_IMAGE004
。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113162480A (zh) * 2020-12-17 2021-07-23 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所 一种不同类型电动机通用控制系统
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