CN113630052A - 一种直线振荡电机无位置传感器控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直线振荡电机无位置传感器控制方法及装置，属于直线振荡电机无位置传感器控制技术领域，方法包括以下步骤：S1：将当前观测振幅与给定振幅之差顺次进行PI控制运算和限幅，获取电压占空比；S2：将给定频率的正弦函数与电压占空比顺次输入至SPWM发生器和SPWM逆变器中获取调制电压信号；S3：采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，构建滑模观测器，获取活塞的估算速度；S4：对估算速度进行滤波处理得到位移观测信号，更新当前观测振幅，转至步骤S1。本发明采用滑模观测器和带通滤波器替代位置传感器，避免了电机系统体积过大，位置传感器安装困难的问题。
Description
技术领域
本发明属于直线振荡电机无位置传感器控制技术领域，更具体地，涉及一种直线振荡电机无位置传感器控制方法及装置。
背景技术
传统压缩机一般采用旋转电机，利用曲柄连杆结构，将旋转运动转化为直线往复运动，从而带动活塞运动。这种采用中间传动环节驱动电机的间接驱动方式，存在结构复杂、体积大、噪声大和效率低等缺点。此外，受限于机械结构，传统压缩机存在活塞往复运动行程无法调节的问题。直线振荡电机能够直接实现电能与直线往复机械能之间相互转化，与传统传动方式相比，不依赖运动转换机构，具有体积小、结构简单、传动效率高、行程可控等优势。
由于直线振荡电机活塞行程是自由不受限制的，可以通过控制活塞位移直接调节活塞排气量。但是，当活塞行程超过额定范围时，会使得活塞撞缸。因此，必须实时获得活塞位移信息并加以控制，以防止撞缸现象的发生。但是如果使用位置传感器获取活塞位移信息，不仅会增大系统体积，降低整体可靠性，同时还存在传感器安装困难等问题。因此，有必要研究精确可靠的无位置传感器控制技术，获得活塞的位移估算信号，实现对活塞的行程控制。
目前已有的直线振荡电机无位置传感器控制方法常采用开环反电势积分法：由于直线振荡电机的反电势与活塞速度成正比，故可以利用电压、电流信号计算出电机反电势，再采用积分运算以获得活塞位移信号。但是，电压、电流在测量过程中会不可避免的含有直流分量，纯积分环节会将该直流分量不断累积，造成积分饱和问题。为此，通常采用低通滤波器代替纯积分环节，而低通滤波器的使用又不可避免的造成输出信号幅值和相位的偏移，需要外加幅值和相位补偿，这大大增加了算法计算量。此外，反电势积分法是一种开环算法，不含反馈校正环节，其对电机参数依赖性较强，当电机参数变化时，位移估算结果偏差较大。因此，需要一种精确可靠、计算简单的无传感器控制算法来实现对直线振荡电机的行程控制。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种直线振荡电机无位置传感器控制方法及装置，旨在解决现有的由于直线振荡电机活塞行程是自由不受限制的，如果使用位置传感器获取活塞位移信息，不仅会增大系统体积，降低整体可靠性，同时还存在位置传感器安装困难的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种直线振荡电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：
S1：将当前观测振幅与给定振幅之差顺次进行PI控制运算和限幅，获取电压占空比；
S2：基于给定频率的正弦函数与电压占空比，生成一系列等幅不等宽的矩形波和基频分量；
S3：将矩形波和基频分量输入SPWM逆电路中，通过改变调制波的频率和幅值，调节调制电压信号的频率和幅值；
S4：电机经过调制电压信号的调制后，采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，构建滑模观测器，获取活塞的估算速度；
S5：对估算速度进行滤波处理得到位移观测信号，更新当前观测振幅，转至步骤S1，持续调节电机的观测振幅，直至观测振幅与给定振幅一致。
优选地，步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：电机经过调制电压信号的调制后，实时采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，构建传统滑模观测器；
S3.2：基于传统滑模观测器，采用积分滑模面，定义滑模趋近律，构建改进型滑模观测器；
S3.3：利用改进型滑模观测器的滑模控制率与电磁推力系数，获取活塞的估算速度。
优选地，采用自适应带通滤波器对估算速度进行滤波，获取位移观测信号。
优选地，自适应带通滤波器的传递函数为：
其中，γ为常数；ω0为自适应带通滤波器的中心频率；v为速度信号，v′为滤波后的速度信号。
优选地，积分滑模面为：
其中，S为滑模面，c为积分增益系数；
为电流误差，满足
i为电机输出电流；
是电流观测值。
优选地，滑模趋近律为：
其中，a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0,θ>0,δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0,X为系统状态变量,满足
优选地，改进型滑模观测器的滑模控制率(估算的反电势信号)为：
其中，R为定子电阻；c为积分增益系数；L为定子电感；e为理论反电势信号；
为电流误差；a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0,θ>0,δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0,X为系统状态变量，满足
另一方面，本发明提供了一种直线振荡电机无位置传感器控制装置，包括：加法器、PI控制器、限幅器、正弦计算器、SPWM发生器、SPWM逆变器、滑模观测器和带通滤波器；
滑模观测器用于实时采集直线振荡电机的电压与电流信号，观测直线振荡电机的反电势信号，进而获取估算的活塞速度信号；
带通滤波器用于对活塞估算速度进行滤波，获取无幅值和相位偏移的位移估算信号，更新当前观测振幅；
加法器用于将给定振幅与当前观测振幅做减法运算；
PI控制器用于对给定振幅与当前观测振幅之差进行PI控制运算；
所述限幅器用于对PI控制运算结果进行限幅处理；
SPWM发生器用于基于给定频率的正弦函数与电压占空比，生成一系列等幅不等宽的矩形波和基频分量；
SPWM逆变器用于接收矩形波和基频分量，通过改变调制波的频率和幅值，调节调制电压信号的频率和幅值，进而对电机进行调制；
正弦计算器用于对给定频率进行正弦计算。
优选地，滑模观测器为改进型观测器，改进型观测器的执行过程为：
实时采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，输出电流观测值；
基于输出电流观测值，采用积分滑模面，定义滑模趋近律，输出估算的反电势信号；
利用估算的反电势信号与电磁推力系数，获取活塞的估算速度。
优选地，带通滤波器为自适应带通滤波器，其传递函数为：
其中，其中，γ为常数；ω0为自适应带通滤波器的中心频率；v′为滤波后的速度信号；v为速度信号。
优选地，积分滑模面为：
其中，S为滑模面，c为积分增益系数；
为电流误差，满足
i为电机输出电流；
是电流观测值。
优选地，滑模趋近律为：
其中，a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0，θ>0，δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0，X为系统状态变量，满足
优选地，改进型滑模观测器的滑模控制率为：
其中，R为定子电阻；c为积分增益系数；L为定子电感；
为电流误差；a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0,θ>0,δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0，X为系统状态变量,满足
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明采用滑模观测器和带通滤波器替代位置传感器，避免了系统体积过大，位置传感器安装困难的问题。
本发明提供的采用改进型滑模观测器估算直线振荡电机活塞位移信号，进而实现对活塞的行程控制，与传统开环反电势位移估算方法相比，由于改进型滑模观测器是一种闭环控制方法，引入了电流反馈环节，因此，本发明提供的直线振荡电机无位置传感器控制方法对电机参数依赖性更小、位移估算精度更高。
本发明提供的新型趋近律相较于传统符号函数型趋近律，加快了系统状态到达滑模面的趋近速率，且由于其不含切换函数项，大大削弱了滑模观测器自身存在的抖振问题，提高了位移观测效果。
相比于低通滤波器加幅值相位补偿获取位移估算信号的方法，本发明采用自适应带通滤波器，通过自适应调整滤波器的中心频率，可以获得无幅值和相位偏移的位移信号，不需要再对位移信号进行补偿，大大减小了计算量，且强大的滤波功能同时解决滑模观测器的抖振问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的自适应带通滤波器的结构框图；
图2是本发明实施例提供的改进型滑模观测器的位移估算结构框图；
图3是本发明实施例提供的直线振荡电机振幅闭环控制模块的结构框图；
图4(a)是本发明实施例提供的振幅开环下，采用开环反电势法获取的位移估算结果示意图；
图4(b)是本发明实施例提供的振幅开环下，采用改进型滑模观测器法得到的位移估算结果示意图；
图5(a)是本发明实施例提供的振幅闭环下，采用开环反电势法获取的位移估算结果示意图；
图5(b)是本发明实施例提供的振幅闭环下，采用改进型滑模观测器法得到的位移估算结果示意图；
图6(a)是本发明实施例提供的采用传统滑模观测器法获取的电流误差图；
图6(b)是本发明实施例提供的采用改进型滑模观测器法获取的电流误差图；
图7(a)是本发明实施例提供的活塞行程暂态响应的估算位移振幅与给定振幅的曲线示意图。
图7(b)是本发明实施例提供的活塞行程暂态响应的估算位移与实际位移的曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明提供了一种直线振荡电机无位置传感器控制方法，包括：
S1.将当前观测振幅与给定振幅之差顺次进行PI控制运算和限幅，获取电压占空比M；
S2.基于给定频率的正弦函数与电压占空比，生成一系列等幅不等宽的矩形波和基频分量；
S3.将矩形波和基频分量输入SPWM逆电路中，通过改变调制波的频率和幅值，调节调制电压信号的频率和幅值；
S4.电机经过调制电压信号的调制后，采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，构建滑模观测器，获取活塞的估算速度；
S5.对估算速度进行滤波处理得到位移观测信号，更新当前观测振幅，转至步骤S1，持续调节电机的观测振幅，直至直线振荡电机停止工作。
优选地，步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：电机经过调制电压信号的调制后，实时采集直线振荡电机的电压与电流信号，构建传统滑模观测器；滑模观测器用于估算直线振荡电机反电势信号；
具体地，步骤S3.1的具体实施方式为：
S3.1.1：根据电机输出电压u、电机输出电流i、定子电阻R、定子电感L，列出直线振荡电机动态数学方程为：
其中，e为理论反电势信号，其与活塞速度v成正比，满足：
其中，Ki为电磁推力系数，x为活塞位移信号；
S3.1.2：根据电机动态数学方程(1)，可以得到电流状态方程：
则，传统滑模观测器设计为：
其中，k为切换增益系数，定义
将公式(4)与公式(3)进行对比，可以得到Z为滑模观测器估算的反电势信号，即：
将公式(4)减公式(3)，可以得到电流误差方程：
其中，
为电流误差；
S3.2：改进滑模观测器；
具体地，采用积分滑模面作为改进型滑模观测器的滑模面，即：
其中，S为滑模面，c为积分增益系数；
为电流误差，满足
对公式(7)进行微分，并结合公式(1)，可以得到：
当系统状态运行在滑模面上时，电流误差收敛于0，Z等效于e。令
可以得到等效控制率为
由于传统滑模观测器的趋近律为
其符号函数的使用带来了大量抖振；因此，为了减小传统滑模观测器的抖振问题，并提高控制系统的趋近速率，设计新型趋近律为：
其中，a、b、θ、δ、p、q为设计参数，且a≥0，b≥0，θ>0，δ>0，p和q均为奇数，满足p>q>0，X为系统状态变量，满足
结合公式(8)和公式(10)，可以得到：
则，可以得到改进型滑模观测器的控制率为：
S3.3：根据公式(12)，得到活塞的估算速度为：
其中，Ki为电磁推力系数；
优选地，采用自适应带通滤波器对估算速度信号进行滤波，得到位移观测信号；
具体地，自适应带通滤波器的传递函数为：
其中，γ为常数；ω0为自适应带通滤波器的中心频率；v为速度信号；v′为滤波后的速度信号；
自适应带通滤波器的结构图如图1所示，当输入信号v的频率等于自适应带通滤波器的中心频率ω0时，输出信号v′与v幅值、相位一致；将速度信号的输入频率作为自适应带通滤波器的中心频率，可以得到无幅值和相位偏移的位移估算信号；
本发明结合改进型滑模观测器与自适应带通滤波器的位移估算结构框图如图2所示；
改进型滑模观测器是在传统的滑模观测器基础上，采用积分滑模面作为改进型滑模观测器的滑模面，定义新型趋近律，输出改进型滑模观测器的控制率；按照数据信息的传递，则改进型滑模观测器的输入为电机输出电压u、电机输出电流i、定子电阻R、定子电感L以及上次迭代获取的控制率，输出电流误差，根据输出电流误差进而调控当前迭代的控制率；将当前迭代获取的控制率作为上次迭代的控制率反馈至改进型滑模观测器的输入端，以此形成电流反馈环节，当电流观测值
与电机输出电压i的差值为0时，则认为后续获取的位移观测信号与实际位移相近，几乎无误差。
本发明构建的直线振荡电机振幅闭环控制系统如图3所示，本发明中当前观测振幅与给定振幅之差经过PI控制器，对位移估算信号进行控制，从而实现对直线振荡电机的位移闭环控制。
另一方面，本发明提供了一种直线振荡电机无位置传感器控制装置，包括：加法器、PI控制器、限幅器、正弦计算器、SPWM发生器、SPWM逆变器、滑模观测器和带通滤波器；
滑模观测器用于实时采集直线振荡电机的电压与电流信号，观测直线振荡电机的反电势信号，进而获取估算的活塞速度信号；
带通滤波器用于对活塞估算速度进行滤波，获取无幅值和相位偏移的位移估算信号，更新当前观测振幅；
加法器用于将给定振幅与当前观测振幅做减法运算；
PI控制器用于对给定振幅与当前观测振幅之差进行PI控制运算；
所述限幅器用于对PI控制运算结果进行限幅处理；
SPWM发生器用于基于给定频率的正弦函数与电压占空比，生成一系列等幅不等宽的矩形波和基频分量；
SPWM逆变器用于接收矩形波和基频分量，通过改变调制波的频率和幅值，调节调制电压信号的频率和幅值，进而对电机进行调制；
正弦计算器用于对给定频率进行正弦计算。
优选地，滑模观测器为改进型观测器，改进型观测器的执行过程为：
实时采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，输出电流观测值；
基于输出电流观测值，采用积分滑模面，定义滑模趋近律，输出估算的反电势信号；
利用估算的反电势信号与电磁推力系数，获取活塞的估算速度；
优选地，带通滤波器为自适应带通滤波器，其传递函数为：
其中，其中，γ为常数；ω0为自适应带通滤波器的中心频率；v′为滤波后的速度信号；v为初始速度信号。
优选地，积分滑模面为：
其中，S为滑模面，c为积分增益系数；
为电流误差，满足
i为电机输出电流；
是电流观测值。
优选地，滑模趋近律为：
其中，a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0，θ>0，δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0，X为系统状态变量，满足
优选地，改进型滑模观测器的滑模控制率为：
其中，R为定子电阻；c为积分增益系数；L为定子电感；
为电流误差；a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0，θ>0，δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0，X为系统状态变量，满足
实施例
以定子永磁型双定子直线振荡电机为例，对上述方法进行仿真验证，设置其额定功率为120W，额定工作频率为22.1Hz，定子电阻为18.4Ω，定子电感为0.755H，推力系数为47.08N/A，动子活塞质量为1.03kg。
具体地，图4(a)和图4(b)分别为直线振荡电机振幅开环下，采用低通滤波器对传统开环反电势法和改进型滑模观测器法得到的速度估算信号进行滤波的结果；从图4(a)和图4(b)可以看出，低通滤波器会造成位移估算信号幅值和相位偏移，且无法解决滑模抖振问题；图5(a)和图5(b)分别为采用自适应带通滤波器代替低通滤波器，并将位移估算信号接入振幅闭环系统，设置给定振幅为5mm，得到的传统开环反电势与改进型滑模观测器两种方法的位移估算结果。显然，自适应带通滤波器完全克服了低通滤波器的缺陷，得到无幅值和相位偏移的位移估算信号，且同时解决了滑模抖振带来的影响。此外，采用传统开环反电势法得到的估算位移与实际位移的幅值误差为2.02％，相位偏差为0.22°，而采用改进型滑模观测器观测的位移幅值偏差为0.19％，相位偏差为0.09°，表明本发明方法相比于传统开环反电势法具有更高的位移观测精度；图6(a)为采用传统滑模观测器得到的电流误差结果，图6(b)为采用改进型滑模观测器法得到的电流误差结果，图6(a)与图6(b)可以看出，改进型滑模观测器法能大幅度削弱滑模抖振问题。利用改进型滑模观测器法观测的位移估算信号对直线振荡电机进行振幅闭环控制，得到活塞活塞行程暂态响应过程，图7(a)是估算位移振幅与给定振幅的曲线示意图；图7(b)是估算位移与实际位移的曲线示意图；从图7(a)与图7(b)的结果显示可以表明本发明方法能够准确估算直线振荡电机的活塞行程信号，实现对直线振荡电机的无位置传感器高效控制。
综上可知，本发明提供的直线振荡电机无位置传感器控制方法相较于传统开环反电势具有更高的位移估算精度，所提供的自适应带通滤波器有效解决了纯积分饱和以及滑模抖振问题，大大减小了算法计算量。此外，滑模观测器法相较于开环反电势法，由于电流闭环反馈环节的存在，有更强的抗干扰能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将当前观测振幅与给定振幅之差顺次进行PI控制运算和限幅，获取电压占空比；
S2：基于给定频率的正弦函数与电压占空比，生成一系列等幅不等宽的矩形波和基频分量；
S3：将矩形波和基频分量输入SPWM逆电路中，通过改变调制波的频率和幅值，调节调制电压信号的频率和幅值；
S4：电机经过调制电压信号的调制后，采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，构建滑模观测器，获取活塞的估算速度；
S5：对估算速度进行滤波处理得到位移观测信号，更新当前观测振幅，转至步骤S1，持续调节电机的观测振幅，直至观测振幅与给定振幅一致。
2.根据权利要求1所述的直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
S3.1：电机经过调制电压信号的调制后，实时采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，构建传统滑模观测器；
S3.2：基于传统滑模观测器，采用积分滑模面，定义滑模趋近律，构建改进型滑模观测器；
S3.3：利用改进型滑模观测器的滑模控制率与电磁推力系数，获取活塞的估算速度。
3.根据权利要求1所述的直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，采用自适应带通滤波器对估算速度进行滤波，获取位移观测信号。
4.根据权利要求3所述的直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述自适应带通滤波器的传递函数为：
其中，γ为常数；ω0为自适应带通滤波器的中心频率；v为速度信号，v′为滤波后的速度信号。
5.根据权利要求2所述的直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述积分滑模面为：
其中，S为滑模面，c为积分增益系数；
为电流误差，满足
i为电机输出电流；
是电流观测值。
6.根据权利要求5所述的直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述滑模趋近律为：
其中，a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0,θ>0,δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0；X为系统状态变量,满足
7.根据权利要求6所述的直线振荡电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述改进型滑模观测器的控制率为：
其中，R为定子电阻；c为积分增益系数；L为定子电感；
为电流误差；a、b、θ、δ、p、q为设计参数；且a≥0，b≥0,θ>0,δ>0；p和q均为奇数，满足p>q>0，X为系统状态变量，满足
8.一种直线振荡电机无位置传感器控制装置，其特征在于，包括：加法器、PI控制器、限幅器、正弦计算器、SPWM发生器、SPWM逆变器、滑模观测器和带通滤波器；
所述滑模观测器用于实时采集直线振荡电机的电压与电流信号，观测直线振荡电机的反电势信号，进而获取估算的活塞速度信号；
所述带通滤波器用于对活塞估算速度进行滤波，获取无幅值和相位偏移的位移估算信号，更新当前观测振幅；
所述加法器用于将给定振幅与当前观测振幅做减法运算；
所述PI控制器用于对给定振幅与当前观测振幅之差进行PI控制运算；
所述限幅器用于对PI控制运算结果进行限幅处理；
所述SPWM发生器用于基于给定频率的正弦函数与电压占空比，生成一系列等幅不等宽的矩形波和基频分量；
所述SPWM逆变器用于接收矩形波和基频分量，通过改变调制波的频率和幅值，调节调制电压信号的频率和幅值，进而对电机进行调制；
正弦计算器用于对给定频率进行正弦计算。
9.根据权利要求8所述的直线振荡电机无位置传感器控制装置，其特征在于，所述滑模观测器为改进型观测器，改进型观测器的执行过程为：
实时采集直线振荡电机的输出电压与输出电流信号，输出电流观测值；
基于输出电流观测值，采用积分滑模面，定义滑模趋近律，输出估算的反电势信号；
利用估算的反电势信号与电磁推力系数，获取活塞的估算速度。
10.根据权利要求8所述的直线振荡电机无位置传感器控制装置，其特征在于，所述带通滤波器为自适应带通滤波器，其传递函数为：
其中，其中，γ为常数；ω0为自适应带通滤波器的中心频率；v为速度信号，v′为滤波后的速度信号。
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