CN115459656A - 用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法 - Google Patents

用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，包括：对永磁同步电机的运行状态进行判定；若永磁同步电机运行在高速状态，则采用传统滑模观测器进行观测；若永磁同步电机运行在低速状态，则采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测。本发明实施例利用无传感器控制方法取代传统的带传感器控制方法，有效地降低设备成本。在永磁同步电机高、低速状态分别采用基于磁链模型的非线性观测器和传统滑模感测器进行观测，解决了单一观测器在高、低观测时精度不够、力矩不够的问题。

Description

用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有效率高，响应快，噪音小等优点。因此，永磁同步电机已经在越来越多的行业广泛应用。
传统的agv搬运机器人的控制都是基于带传感器的永磁同步电机，虽然此方法在实际应用中已经很成熟，但是行业里大面积的使用基于带传感器的永磁同步电机控制的agv搬运机器人，无疑会极大的增加整个行业的成本。
因此，如何改进agv搬运机器人的永磁同步电机控制方法以降低投入成本，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，包括：
对永磁同步电机的运行状态进行判定；
若永磁同步电机运行在高速状态，则采用传统滑模观测器进行观测；
若永磁同步电机运行在低速状态，则采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测。
可选地，对永磁同步电机的运行状态进行判定，包括：
设置第一基准频率；
将永磁同步电机的转速频率与基准频率进行比较；
若转速频率低于或等于第一基准频率，则判定永磁同步电机处于低速状态；
若转速频率高于第一基准频率，则判定永磁同步电机处于高速状态。
可选地，对永磁同步电机的运行状态进行判定，还包括：
当永磁同步电机处于低速状态，且转速频率持续上升时，将转速频率与第二基准频率进行比较；
若转速频率超过第二基准频率，则判定此时的永磁同步电机处于高速状态。
可选地，对永磁同步电机的运行状态进行判定，还包括：
当永磁同步电机处于高速状态，且转速频率持续下降时，将转速频率与第三基准频率进行比较；
若转速频率低于第三基准频率，则判定此时的永磁同步电机处于低速状态。
可选地，第二基准频率高于第一基准频率；第三基准频率低于第一基准频率。
可选地，采用传统滑模观测器进行观测包括：
根据永磁同步电机的定子电流和扩展反电势估计值之间的差值，获取定子电流误差；
根据滑模控制律获取等效控制量；
通过低通滤波器获取连续扩展反电势估计值；
采用反正切函数对连续扩展反电势估计值进行计算得到转子位置信息；
对转子位置信息进行角度补偿后进行微分运算，得到转速信息。
可选地，采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测包括：
根据永磁同步电机电压方程定义状态变量；状态变量为反电势；
对反电势进行积分得到磁链；
构建非线性观测器并定义矢量函数；
根据矢量函数获取磁链幅值估计值；
将磁链幅值估计值与磁链幅值实际值进行比较，得到估算的磁链分量补偿项；
通过非线性观测器得到永磁同步电机的观测角度。
本发明实施例的有益效果：
1、本发明利用无传感器控制方法取代传统的带传感器控制方法，有效地降低设备成本。本发明在永磁同步电机高、低速状态分别采用基于磁链模型的非线性观测器和传统滑模感测器进行观测，解决了单一观测器在高、低观测时精度不够、力矩不够的问题。
2、本发明在状态切换时设置了缓冲带，有效解决了电机在高、低速状态切换处振荡运行的问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，如图1所示，包括：
步骤S10，对永磁同步电机的运行状态进行判定。
若永磁同步电机运行在高速状态，则执行步骤S201，采用传统滑模观测器进行观测。
若永磁同步电机运行在低速状态，则执行步骤S202，采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测。
在本实施例中，利用无传感器控制方法取代了传统的带传感器控制方法，有效地降低设备成本。此外，在永磁同步电机高、低速状态分别采用基于磁链模型的非线性观测器和传统滑模感测器进行观测，解决了单一观测器在高、低观测时精度不够、力矩不够的问题。
作为可选的实施方式，步骤S10包括：
设置第一基准频率。
将永磁同步电机的转速频率与基准频率进行比较。
若转速频率低于或等于第一基准频率，则判定永磁同步电机处于低速状态。
若转速频率高于第一基准频率，则判定永磁同步电机处于高速状态。
在本实施例中，设置一个特定频率ηeHz为基准频率，当电机运行时，获取电机的转速Nrrad/s，转换为频率为ηr＝Nr/60Hz，将转速频率ηr与基准频率ηe进行比较。
第一基准频率设置为ηe。当转速频率ηr>基准频率ηe，判定永磁同步电机运行在高速状态，采用传统滑模观测器进行观测；当转速频率ηr<基准频率ηe，判定永磁同步电机运行在低速状态，采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测。
作为可选的实施方式，对永磁同步电机的运行状态进行判定，还包括：
当永磁同步电机处于低速状态，且转速频率持续上升时，将转速频率与第二基准频率进行比较；
若转速频率超过第二基准频率，则判定此时的永磁同步电机处于高速状态。
当永磁同步电机处于高速状态，且转速频率持续下降时，将转速频率与第三基准频率进行比较；
若转速频率低于第三基准频率，则判定此时的永磁同步电机处于低速状态。
在可选的实施方式中，第二基准频率高于第一基准频率；第三基准频率低于第一基准频率。
在本实施例中，设置基准频率ηe±5％进行判定。当永磁同步电机运行于高速状态且电机的转速Nr持续下降时，将转速频率ηr与基准频率ηe+5％进行比较。当永磁同步电机运行于高速状态且电机的转速Nr持续下降时，将转速频率ηr与基准频率ηe-5％进行比较。当永磁同步电机运行于低速状态且转速频率ηr>基准频率ηe+5％时，永磁同步电机采用传统滑模观测器进行观测；当永磁同步电机运行于高速状态且转速频率ηr<基准频率ηe-5％时，永磁同步电机采用传统基于磁链模型的非线性观测器进行观测。在观测状态切换时设置了缓冲带，有效解决了电机在高、低速状态切换处振荡运行的问题。
作为可选的实施方式，采用传统滑模观测器进行观测包括：
根据永磁同步电机的定子电流和扩展反电势估计值之间的差值，获取定子电流误差；
根据滑模控制律获取等效控制量；
通过低通滤波器获取连续扩展反电势估计值；
采用反正切函数对连续扩展反电势估计值进行计算得到转子位置信息；
对转子位置信息进行角度补偿后进行微分运算，得到转速信息。
在本实施例中，传统滑模观测器的具体模型设计如下：
设置永磁同步电机基于α-β坐标系下的永磁同步电机数学模型的电压方程：
Figure BDA0003851688160000051
其中，Rs为定子电阻；Ld、Lq为定子电感；p＝d/dt，为微分算子；[uα uβ]T为定子电压；[iα iβ]T为定子电流；ωr电角速度；[Eα Eβ]T为扩展反电势，且满足：
Figure BDA0003851688160000052
其中ψr为永磁体磁链。
为方便分析，设置永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，并将电压方程改写为电流方程：
Figure BDA0003851688160000061
为获取扩展反电势的估计值，传统滑模观测器设计如下：
Figure BDA0003851688160000062
其中，
Figure BDA0003851688160000063
为定子电流的观测值；uα、uβ为观测器的控制输入。
对前两个公式进行作差，获得定子电流误差方程：
Figure BDA0003851688160000064
其中，
Figure BDA0003851688160000065
为电流观测误差。设计滑模控制律：
Figure BDA0003851688160000066
其中，
Figure BDA0003851688160000067
当观测器状态变量达到滑模面
Figure BDA0003851688160000068
后，观测器状态保持在滑模面上，此时控制量可看作等效控制量：
Figure BDA0003851688160000069
为获取连续的扩展反电势估计值，需再外加一个低通滤波器，即：
Figure BDA00038516881600000610
其中，τ0为低通滤波器的时间常数。
通过反正切函数获得转子位置信息，即：
Figure BDA00038516881600000611
考虑到滤波截止频率会引发相位延迟，在计算转子位置的基础上加一个角度补偿，用来弥补由于低通滤波器延迟效应所造成的位置角度估算误差，即：
Figure BDA0003851688160000071
其中，ωc为低通滤波器的截止频率。
对位置公式进行微分运算，获取转速信息，即：
Figure BDA0003851688160000072
作为可选的实施方式，采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测包括：
根据永磁同步电机电压方程定义状态变量；状态变量为反电势；
对反电势进行积分得到磁链；
构建非线性观测器并定义矢量函数；
根据矢量函数获取磁链幅值估计值；
将磁链幅值估计值与磁链幅值实际值进行比较，得到估算的磁链分量补偿项；
通过非线性观测器得到永磁同步电机的观测角度；
通过锁相环对观测角度进行比较，得到永磁同步电机的速度和角度。
基于磁链模型的非线性观测器的模型设计如下：
设置永磁同步电机基于α-β坐标系下的永磁同步电机数学模型的电压方程：
Figure BDA0003851688160000073
α-β坐标系下电感表示如下：
L＝(Ld+Lq)/2
ΔL＝(Ld-Lq)/2
Lα＝L+ΔLcos2θ
Lβ＝L-ΔLcos2θ
Lαβ＝ΔLsin2θ
其中，Rs为定子电阻；Ld、Lq为定子电感；p＝d/dt为微分算子；[uα uβ]T为定子电压；[iα iβ]T为定子电流；ψr为永磁体磁链；ωr电角速度。
为方便分析，设置永磁同步电机为表贴式永磁同步电机，其电压数学模型简化如下：
Figure BDA0003851688160000081
根据永磁同步电机电压方程定义状态变量：
Figure BDA0003851688160000082
y＝-Rsiαβ+uαβ
其中，状态变量y是反电势，对反电势积分可以得到磁链，磁链的状态变量x微分得到反电势，其关系如下：
Figure BDA0003851688160000083
构建非线性观测器，定义矢量函数：η(x)＝x-Liαβ；
其中，矢量函数的模实质就是磁链幅值：||η(x)||2＝ψr 2，把估算的磁链幅值与实际磁链幅值的差，作为估算的磁链分量的补偿项。关系为：
Figure BDA0003851688160000084
完成状态变量的观测器后，得到磁链分量，公式如下：
Figure BDA0003851688160000085
通过观测的磁链分量得到观测的角度：
Figure BDA0003851688160000091
通过锁相环对观测的角度与设定角度进行比较，就可以得到速度和角度。
由上所述，本发明利用无传感器控制方法取代传统的带传感器控制方法，有效地降低设备成本。本发明在永磁同步电机高、低速状态分别采用基于磁链模型的非线性观测器和传统滑模感测器进行观测，解决了单一观测器在高、低观测时精度不够、力矩不够的问题。本发明在状态切换时设置了缓冲带，有效解决了电机在高、低速状态切换处振荡运行的问题。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括：
对永磁同步电机的运行状态进行判定；
若所述永磁同步电机运行在高速状态，则采用传统滑模观测器进行观测；
若所述永磁同步电机运行在低速状态，则采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测。
2.根据权利要求1所述的用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，对永磁同步电机的运行状态进行判定，包括：
设置第一基准频率；
将所述永磁同步电机的转速频率与所述基准频率进行比较；
若所述转速频率低于或等于所述第一基准频率，则判定所述永磁同步电机处于低速状态；
若所述转速频率高于所述第一基准频率，则判定所述永磁同步电机处于高速状态。
3.根据权利要求2所述的用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，对永磁同步电机的运行状态进行判定，还包括：
当所述永磁同步电机处于低速状态，且所述转速频率持续上升时，将所述转速频率与第二基准频率进行比较；
若所述转速频率超过所述第二基准频率，则判定此时的所述永磁同步电机处于高速状态。
4.根据权利要求3所述的用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，对永磁同步电机的运行状态进行判定，还包括：
当所述永磁同步电机处于高速状态，且所述转速频率持续下降时，将所述转速频率与第三基准频率进行比较；
若所述转速频率低于所述第三基准频率，则判定此时的所述永磁同步电机处于低速状态。
5.根据权利要求4所述的用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述第二基准频率高于所述第一基准频率；所述第三基准频率低于所述第一基准频率。
6.根据权利要求1所述的用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，采用传统滑模观测器进行观测包括：
根据所述永磁同步电机的定子电流和扩展反电势估计值之间的差值，获取定子电流误差；
根据滑模控制律获取等效控制量；
通过低通滤波器获取连续扩展反电势估计值；
采用反正切函数对所述连续扩展反电势估计值进行计算得到转子位置信息；
对所述转子位置信息进行角度补偿后进行微分运算，得到转速信息。
7.根据权利要求1所述的用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，采用基于磁链模型的非线性观测器进行观测包括：
根据永磁同步电机电压方程定义状态变量；所述状态变量为反电势；
对所述反电势进行积分得到磁链；
构建非线性观测器并定义矢量函数；
根据所述矢量函数获取磁链幅值估计值；
将所述磁链幅值估计值与磁链幅值实际值进行比较，得到估算的磁链分量补偿项；
通过所述非线性观测器得到所述永磁同步电机的观测角度。
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