CN115940721A - 基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，包括：步骤S1‑通过上一周期电流观测值和电流实际值作差得到电流观测误差，当电流观测误差为正值时由饱和函数计算增益，正滑模增益给定，否则由饱和函数计算增益，负滑模增益给定，由永磁同步电机的超螺旋滑模函数计算本周期观测电流和观测反电动势；步骤S2‑对观测反电动势进行低通滤波，利用外差法和锁相环初步计算转子角度；步骤S3‑对观测反电动势进行2s/2r坐标变换；步骤S4‑在同步旋转坐标系对观测反电动势进行低通滤波，对滤波后的观测反电动势进行2r/2s坐标反变换；步骤S5‑利用外差法和锁相环最终计算转子角度。本申请解决了滑模观测器抖振现象和滤波器带来的相位滞后、幅值衰减问题。
Description
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，具体是基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法。
背景技术
近年来，矢量控制技术在电机控制领域发展迅猛，在各类电机产品中得到了广泛应用，尤其是矢量控制技术在永磁同步电机上的应用研究受到国内外众多学者的高度重视。实现矢量控制系统的关键在于转子位置的实时精确获取，传统电机控制系统采用位置传感器能够准确获取转子位置信息，但是位置传感器具有安装难度大，成本高和对使用环境有要求等缺陷。相较之下，无位置传感器控制不仅解决了上述问题，同时还具备不弱于位置传感器的位置观测效果。因此行业内，众多学者和厂商都开始研究和尝试利用无位置传感器替代传统有位置传感器控制的方案，并且已有不少成果落地。
如今，中高速域的无位置传感器控制方法主要有龙贝格观测器法，拓展卡尔曼滤波器法，模型参考自适应法和滑模观测器法。其中的滑模观测器法由于具备整定参数少，实现简单，效果优良和鲁棒性强的优点，率先成为了无感控制算法推广应用的主要方法。然而由于传统滑模观测器采用的是一阶滑模面函数以及开关控制函数，所以存在抖振大的固有缺陷。同时传统滑模观测器中采用的开关切换函数的离散特性与矢量控制技术对角度连续性的要求相矛盾，导致不可避免的需要采用低通滤波器对观测出的反电动势进行滤波，但是这样无疑会带来相位滞后和幅值衰减。因此，亟需一种改善滑模观测器抖振现象和解决滤波器使用带来的相位滞后和幅值衰减的观测及滤波方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术中存在的滑模观测器抖振现象和滤波器使用带来的相位滞后、幅值衰减问题。
为实现上述目的，本申请公开了以下技术方案：一种基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1-通过上一周期电流观测值和电流实际值作差得到电流观测误差，当所述电流观测误差为正值时由饱和函数计算增益，正滑模增益给定，当所述电流观测误差为负值时，由饱和函数计算增益，负滑模增益给定，由永磁同步电机的超螺旋滑模函数计算本周期观测电流和观测反电动势；
步骤S2-对观测反电动势进行低通滤波，利用外差法和锁相环初步计算转子角度；
步骤S3-对观测反电动势进行2s/2r坐标变换；
步骤S4-在同步旋转坐标系对观测反电动势进行低通滤波，对滤波后的观测反电动势进行2r/2s坐标反变换；
步骤S5-利用外差法和锁相环最终计算转子角度。
作为优选，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S101-构建自然坐标系下的永磁同步电机电压方程；
步骤S102-利用3s/2s坐标变换，将自然坐标系下的永磁同步电机电压方程变换到两相静止坐标系下；
步骤S103-将永磁同步电机的两相静止电流作为状态变量带入超螺旋滑模观测器基本模型中，得到永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型；
步骤S104-将永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型与两相静止坐标系下的实际模型相减，当最终系统稳定在滑模面上时，得到反电动势。
作为优选，所述步骤S101中的永磁同步电机电压方程，由忽略电机铁芯的饱和、不计电机中的涡流和磁滞损耗、定义电机中的电流为对称的三相正弦波电流后构建得到，该永磁同步电机电压方程的表达式为：
。
作为优选，所述步骤S102得到的表达式为：
。
作为优选，所述步骤S103中，所述超螺旋滑模观测器的基本模型的表达式如下：
，
其中，为状态变量估计值，为状态变量估计值和实际值的误差，为增益，为符号函数，为扰动项。
作为优选，所述永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型的表达式为：
。
作为优选，在步骤S104中，所述的永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型与两相静止坐标系下的实际模型相减后的表达式为：
；
所述反电动势的表达式为：
。
作为优选，所述步骤S2具体包括：将超螺旋滑模观测器观测得到的反电动势直接输入低通滤波器进行滤波，将滤波后得到的反电动势信号输入进锁相环，得到初步观测角度信息，仅将该角度信息用作同步旋转滤波器坐标变换的角度信息。
作为优选，所述步骤S3具体包括：同步旋转滤波器将超螺旋滑模观测器观测得到的两相静止坐标系下的反电动势进行坐标变换，将其变换到同步旋转坐标系。
作为优选，所述步骤S5具体包括：将两相静止坐标系下的反电动势信号输入进锁相环，得到精确转子角度和转速信息。
有益效果：
1、本申请的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，相较于传统滑模观测器的一阶滑模面函数，设计得到二阶超螺旋滑模面函数，对滑模切换函数中的不连续项进行了积分，使得滑模函数具有连续性，大大改善了滑模观测器的固有抖振；
2、本申请的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，相较于传统滑模观测器采用的开关符号函数，设计饱和函数作为切换函数，当输入量小于时，为线性连续控制，反之，当输入量大于时，为不连续控制。既在误差较大时，通过维持较大的增益保证系统的强鲁棒性，同时也在误差较小时，通过动态调整增益减小系统的抖振。
3、申请的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，相较于传统滑模观测方案采用的一阶滑模观测器加低通滤波器方案，设计超螺旋滑模观测器加同步旋转滤波器新结构，新方案，在改进的超螺旋滑模观测器减小抖振的基础上进一步再进行同步旋转滤波减小抖振。
4、申请的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，采用同步旋转滤波器，不同于传统方案中在两相静止坐标系下直接对反电动势进行滤波处理，而是经过坐标变换，在同步旋转坐标系下对反电动势进行滤波处理，滤波处理完后再通过坐标反变换回到两相静止坐标系。这样的处理在滤波减小抖振的同时，没有给系统带来负面影响，解决了传统方案中进行滤波减小抖振的同时会带来相位滞后和幅值衰减而需要进行相应补偿的矛盾。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中采用同步旋转滤波器的改进超螺旋滑模观测器实现流程图；
图2为本申请实施例中矢量控制系统结构框图；
图3为本申请实施例中采用同步旋转滤波器的改进超螺旋滑模观测器结构图；
图4为本申请实施例中步骤S1的具体方法流程框图；
图5为本申请实施例中超螺旋滑模轨迹图；
图6为本申请实施例中同步旋转滤波器框图；
图7为本申请实施例中估算转速与实际转速波形图；
图8为本申请实施例中估算角度和实际角度波形图；
图9为本申请实施例中估算反电动势波形图；
图10为本申请实施例中0.5倍额定转速下估算反电动势的THD示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本公开的描述中，需要说明的是，在本文中，术语“包括”意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例
如图1所示的采用同步旋转滤波器的改进超螺旋滑模观测器实现流程图，观测系统主要包括电流观测部分、超螺旋滑模观测器、同步旋转滤波器、锁相环部分，其中同步旋转滤波器部分还包括低通滤波器模块，坐标变换模块和锁相环模块。超螺旋滑模观测器接收电流观测部分的电流误差信号，再将观测得到的反电动势信号输入进同步旋转滤波器，是整个位置观测方法的核心，其大大改善了滑模观测器的抖振现象。同步旋转滤波器对观测得到的反电动势信号进一步滤波减小抖振，并且相较于传统低通滤波器而言，在减小抖振的同时不会带来相位滞后和幅值衰减。矢量控制系统结构框图如图2所示，采用同步旋转滤波器的改进超螺旋滑模观测器结构图如图3所示。
基于上述，本实施例中的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，包括以下步骤：
步骤S1-通过上一周期电流观测值和电流实际值作差得到电流观测误差，当所述电流观测误差为正值时由饱和函数计算增益，正滑模增益给定，当所述电流观测误差为负值时，由饱和函数计算增益，负滑模增益给定，由永磁同步电机的超螺旋滑模函数计算本周期观测电流和观测反电动势。
步骤S2-对观测反电动势进行低通滤波，利用外差法和锁相环初步计算转子角度；
步骤S3-对观测反电动势进行2s/2r坐标变换；
步骤S4-在同步旋转坐标系对观测反电动势进行低通滤波，对滤波后的观测反电动势进行2r/2s坐标反变换；
步骤S5-利用外差法和锁相环最终计算转子角度。
具体的，如图4所示，步骤S1包括以下内容：
步骤S101-构建自然坐标系下的永磁同步电机电压方程；在构建时，忽略电机铁芯的饱和、不计电机中的涡流和磁滞损耗、且定义电机中的电流为对称三相正弦波电流。得到的永磁同步电机电压方程的表达式为：
。
步骤S102-利用3s/2s坐标变换，将自然坐标系下的永磁同步电机电压方程变换到两相静止坐标系下，得到的表达式如下：
。
步骤S103-将永磁同步电机的两相静止电流作为状态变量带入超螺旋滑模观测器基本模型中，得到永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型，其表达式如下：
，
其中，为状态变量估计值，为状态变量估计值和实际值的误差，为增益，为符号函数，为扰动项，超螺旋滑模轨迹图如图5所示。
步骤S104-将永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型与两相静止坐标系下的实际模型相减，当最终系统稳定在滑模面上时，得到反电动势。其中，永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型的表达式为：
。
所述的永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型与两相静止坐标系下的实际模型相减后的表达式为：
；
所述反电动势的表达式为：
。
更为具体的是，基于步骤S101-步骤S104，步骤S2具体包括：将超螺旋滑模观测器观测得到的反电动势直接输入低通滤波器进行滤波，将滤波后得到的反电动势信号输入进锁相环，得到初步观测角度信息，仅将该角度信息用作同步旋转滤波器坐标变换的角度信息。
更为具体的是，基于步骤S101-步骤S104，步骤S3具体包括：同步旋转滤波器将超螺旋滑模观测器观测得到的两相静止坐标系下的反电动势进行坐标变换，将其变换到同步旋转坐标系。其中，同步旋转滤波器框图如图6所示。
更为具体的是，基于步骤S101-步骤S104，步骤S4具体包括：在同步旋转坐标系对观测反电动势进行低通滤波，对滤波后的观测反电动势进行2r/2s坐标反变换，将同步旋转坐标系下经过滤波的反电动势信号变换回两相静止坐标系下。
更为具体的是，基于步骤S101-步骤S104，步骤S5具体包括：利用外差法和锁相环最终计算转子角度，即最终再将两相静止坐标系下的反电动势信号输入进锁相环，即可得到精确转子角度和转速信息。
综上所述，本发明相较于传统滑模观测器的一阶滑模面函数，设计二阶超螺旋滑模面函数，对滑模切换函数中的不连续项进行了积分，使得滑模函数具有连续性，大大改善了滑模观测器的固有抖振；
本发明相较于传统滑模观测器采用的开关符号函数，设计饱和函数作为切换函数，当输入量小于时，为线性连续控制，反之，当输入量大于时，为不连续控制。既在误差较大时，通过维持较大的增益保证系统的强鲁棒性，同时也在误差较小时，通过动态调整增益减小系统的抖振；
本发明相较于传统滑模观测方案采用的一阶滑模观测器加低通滤波器方案，设计超螺旋滑模观测器加同步旋转滤波器新结构，新方案，在改进的超螺旋滑模观测器减小抖振的基础上进一步再进行同步旋转滤波减小抖振；
本发明采用的同步旋转滤波器，不同于传统方案中在两相静止坐标系下直接对反电动势进行滤波处理，而是经过坐标变换，在同步旋转坐标系下对反电动势进行滤波处理，滤波处理完后再通过坐标反变换回到两相静止坐标系。这样的处理在滤波减小抖振的同时，没有给系统带来负面影响，解决了传统方案中进行滤波减小抖振的同时会带来相位滞后和幅值衰减而需要进行相应补偿的矛盾。
借由上述，试验得到如图7示出的估算转速与实际转速波形图，图8示出的估算角度和实际角度波形图，图9示出的估算反电动势波形图，图10示出的0.5倍额定转速下估算反电动势的THD示意图。其中，图7中的“1”指示的线条表示估算转速，图7中的“2”指示的线条表示实际转速；图8中的“1”指示的线条表示估算角度，图8中的“2”指示的线条表示实际角度；图9中的“1”指示的线条表示alpha相反电动势，图9中的“2”指示的线条表示beta相反电动势。结合图8-10可以看出，本申请的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，减小了滑模观测器抖振现象和解决了滤波器使用带来的相位滞后和幅值衰减问题。
最后应说明的是：以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1-通过上一周期电流观测值和电流实际值作差得到电流观测误差，当所述电流观测误差为正值时由饱和函数计算增益，正滑模增益给定，当所述电流观测误差为负值时，由饱和函数计算增益，负滑模增益给定，由永磁同步电机的超螺旋滑模函数计算本周期观测电流和观测反电动势；
步骤S2-对观测反电动势进行低通滤波，利用外差法和锁相环初步计算转子角度；
步骤S3-对观测反电动势进行2s/2r坐标变换；
步骤S4-在同步旋转坐标系对观测反电动势进行低通滤波，对滤波后的观测反电动势进行2r/2s坐标反变换；
步骤S5-利用外差法和锁相环最终计算转子角度。
2.根据权利要求1所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S101-构建自然坐标系下的永磁同步电机电压方程；
步骤S102-利用3s/2s坐标变换，将自然坐标系下的永磁同步电机电压方程变换到两相静止坐标系下；
步骤S103-将永磁同步电机的两相静止电流作为状态变量带入超螺旋滑模观测器基本模型中，得到永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型；
步骤S104-将永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型与两相静止坐标系下的实际模型相减，当最终系统稳定在滑模面上时，得到反电动势。
3.根据权利要求2所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S101中的永磁同步电机电压方程，由忽略电机铁芯的饱和、不计电机中的涡流和磁滞损耗、定义电机中的电流为对称的三相正弦波电流后构建得到，该永磁同步电机电压方程的表达式为：
。
4.根据权利要求3所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S102得到的表达式为：
。
5.根据权利要求4所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S103中，所述超螺旋滑模观测器的基本模型的表达式如下：
，
其中，为状态变量估计值，为状态变量估计值和实际值的误差，为增益，为符号函数，为扰动项。
6.根据权利要求5所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型的表达式为：
。
7.根据权利要求6所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，在步骤S104中，所述的永磁同步电机的超螺旋滑模观测器模型与两相静止坐标系下的实际模型相减后的表达式为：
；
所述反电动势的表达式为：
。
8.根据权利要求2所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：将超螺旋滑模观测器观测得到的反电动势直接输入低通滤波器进行滤波，将滤波后得到的反电动势信号输入进锁相环，得到初步观测角度信息，仅将该角度信息用作同步旋转滤波器坐标变换的角度信息。
9.根据权利要求2所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：同步旋转滤波器将超螺旋滑模观测器观测得到的两相静止坐标系下的反电动势进行坐标变换，将其变换到同步旋转坐标系。
10.根据权利要求2所述的基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机观测及滤波方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：将两相静止坐标系下的反电动势信号输入进锁相环，得到精确转子角度和转速信息。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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