CN116526918A - 一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置 - Google Patents

一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置 Download PDF

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CN116526918A CN202310264231.2A CN202310264231A CN116526918A CN 116526918 A CN116526918 A CN 116526918A CN 202310264231 A CN202310264231 A CN 202310264231A CN 116526918 A CN116526918 A CN 116526918A
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置，其中，该方法包括：在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式；将定子电流的观测误差设计为滑模面；设置曲线型控制函数为系统状态切换函数；设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度；设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器；通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理；以及使用锁相环估算转子的速度和位置信息。利用本发明，能够在各种工况下持续稳定地跟踪转子的速度和位置信息。

Description

一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置。
背景技术
在高精度、高动态的永磁同步电机(PMSM)控制系统中，要对永磁同步电机实施高性能控制，需要实时准确的获取转子位置和速度信息。在现有技术中，通常采用安装机械式传感器的方式获得精确的转子位置和速度信息。但是，机械式传感器的安装不仅会增加系统的成本，也会在工况较差的情况下影响系统的检测精度。因此，为了克服机械式传感器的缺陷，降低电机制造成本，基于滑模观测器的无位置传感控制技术应运而生，其本质是通过使用软件观测算法检测电机绕组中的电信号，从而实现对转子位置和速度信息的在线估计。
虽然传统的滑模观测器能够实现对转子速度和位置的观测，但是算法自身固有的缺陷会使电机系统产生抖动和延迟等问题，例如，传统滑模观测器采用sign函数控制系统状态切换，但由于sign函数在零点处不连续，导致系统状态在切换时产生高频抖动。为了抑制高频抖动，传统滑模观测器使用低通滤波对高频抖动进行滤除，以此来获取扩展反电动势；但是，低通滤波会导致计算量增加和系统相位延迟等问题。传统滑模观测器采用等速趋近率控制系统状态向滑模面趋近，这种趋近方式会使得系统状态无论距离滑模面远近都使用同一速度趋近至滑模面，导致趋近速度过慢或到达滑模面速度过大产生震动。传统滑模观测器采用反正切运算获取转子位置和速度信息，会导致较大的误差，这些抖动和误差会增加系统的机械磨损，降低电机的使用寿命。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置，可实现系统状态的平滑切换，避免了高频抖动信号的产生。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法，所述方法包括：在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式；其中，所述永磁同步电机的电压方程式如公式(1)：
其中，Ld、Lq为d-q两轴的电感，iα、iβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电流，uα、uβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电压，we为所述静止坐标系α—β轴的电角速度，Eα、Eβ为扩展反电动势，Ψf为永磁体磁链，ωe为电机电角速度，θe为转子位置角，G为系数矩阵，R为定子电阻，p为微分算子；将定子电流的观测误差设计为滑模面；其中，所述滑模面Sn如公式(3)：
其中，Sα、Sβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的观测误差， 是所述α—β静止坐标系中定子电流的估计电流，iα、iβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的实测电流；设置曲线型控制函数为系统状态切换函数；其中，所述曲线型控制函数如公式(4)：
其中，arctan为反正切函数，参数a为可调节边界层厚度；设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度；其中，所述改进型幂次趋近率如公式(5)：
其中，为所述改进型幂次趋近率，q为常数，m为幂指数，x为定子电流的观测误差；设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器；通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理；以及使用锁相环估算转子的速度和位置信息；其中，所述锁相环通过公式(13)估算转子的速度和位置信息；
其中，为观测的反电势位置角，kE为反电势系数，当/>时，/>则/>
其中，设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器，具体包括：将所述永磁同步电机的电压方程式(1)中的电压状态方程式改写为电流状态方程式(6)：
根据所述滑模面Sn、曲线型控制函数z(x)、所述改进型幂次趋近率计算公式、以及所述电流状态方程式(6)设置所述滑模控制律；其中，所述滑模控制律如公式(7)：
根据所述永磁同步电机的电流状态方程式(6)和所述滑模控制律(7)构建滑模观测器；其中，所述滑模观测器如公式(8)：
其中，为滑模观测器的估计电流，uα、uβ为滑模观测器的控制输入电压，sα、sβ为观测电流误差。
其中，通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理，具体包括：通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差；其中，所述定子电流的观测误差方程如公式(9)：
其中，Eα、Eβ为扩展反电动势，为滑模观测器估计电流，/>为滑模观测器估计电流与实测电流之差，/>通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理得到公式(12)；
其中，Ts为离散采样周期，k为离散采样时刻，L为电感。
其中，通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理，具体包括：通过反向差分法将所述定子电流的观测误差方程式(9)进行如公式(10)、(11)所述的离散化处理，从而得到如公式(12)所述的结果；
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种永磁同步电机的无位置传感器控制装置，包括：电机模型设置单元，用于：在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式；其中，所述永磁同步电机的电压方程式如公式(1)：
其中，Ld、Lq为d-q两轴的电感，iα、iβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电流，uα、uβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电压，we为所述静止坐标系α—β轴的电角速度，Eα、Eβ为扩展反电动势，Ψf为永磁体磁链，ωe为电机电角速度，θe为转子位置角，G为系数矩阵，R为定子电阻，p为微分算子；将定子电流的观测误差设计为滑模面；其中，所述滑模面Sn如公式(3)：
其中，Sα、Sβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的观测误差， 是所述α—β静止坐标系中定子电流的估计电流，iα、iβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的实测电流；控制函数选择单元，用于设置曲线型控制函数为系统状态切换函数；其中，所述曲线型控制函数如公式(4)：
其中，arctan为反正切函数，参数a为可调节边界层厚度；趋近速度设置单元，用于设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度；其中，所述改进型幂次趋近率如公式(5)：
其中，为所述改进型幂次趋近率，q为常数，m为幂指数，x为定子电流的观测误差；滑模观测器设置单元，用于设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器；滑模观测器单元，用于通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理；锁相环计算单元，用于通过公式(13)估算转子的速度和位置信息；其中，所述公式(13)如下：
其中，为观测的反电势位置角，kE为反电势系数，当/>时，/>则/>
其中，所述滑模观测器设置单元用于：将所述永磁同步电机的电压方程式(1)中的电压状态方程式改写为电流状态方程式(6)：
根据所述滑模面Sn、曲线型控制函数z(x)、所述改进型幂次趋近率计算公式、以及所述电流状态方程式(6)设置所述滑模控制律；其中，所述滑模控制律如公式(7)：
根据所述永磁同步电机的电流状态方程式(6)和所述滑模控制律(7)构建滑模观测器；其中，所述滑模观测器如公式(8)：
其中，为滑模观测器的估计电流，uα、uβ为滑模观测器的控制输入电压，sα、sβ为观测电流误差。
其中，所述滑模观测器单元用于：通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差；其中，所述定子电流的观测误差方程如公式(9)：
通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理。
其中，所述滑模观测器单元通过反向差分法将所述定子电流的观测误差方程式(9)进行如公式(10)、(11)所述的离散化处理，从而得到如公式(12)所述的结果。
以上方案中，通过一种连续的曲线控制函数z(x)代替sign函数，可实现系统状态的平滑切换，避免了高频抖动信号的产生，从而取消了带通滤波环节，减少了系统状态切换时产生的抖动和系统相位延迟；同时，通过一种新的改进型幂次趋近率代替传统滑模观测器的等速趋近率，根据系统状态距离滑模面的远近动态调节趋近速度，当系统状态距离滑模面较远时可增大趋近速度，当系统状态距离滑模面较近时可降低趋近速率，避免了到达滑模面时间较慢和系统到达滑模面速度过大引起的惯性震动；并使用正交锁相环代替反正切运算来计算转子位置和速度信息，提高了转子位置和速度估计的准确度。本发明实现了对永磁同步电机的转子位置和速度进行无传感器观测，解决了传统滑模观测器在状态切换时产生的高频抖动、趋近速度较慢、计算延迟和转子的位置和速度的估算误差等问题，增强了系统的稳定性和鲁棒性，能够在各种工况下持续稳定地跟踪转子的速度和位置信息。
附图说明
图1是本发明实施方式中的一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施方式中的曲线型控制函数z(x)的函数图像示意图；
图3是图1所示的步骤S14的具体实现方法的流程示意图；
图4是图1所示的步骤S15的具体实现方法的流程示意图；
图5是本发明实施方式中的一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法在带载情况下，对转子位置的跟踪结果示意图；
图6是本发明实施方式中的一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法在高负载情况下，对转子速度的跟踪结果示意图；
图7是本发明实施方式中的一种永磁同步电机的无位置传感器控制装置的功能模块示意图；
图8是图7所示的所述锁相环计算单元估算转子速度和位置信息的计算原理示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
请参阅图1，为本发明实施方式中的一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法的流程示意图，所述方法包括如下步骤：
步骤S10，在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式。
其中，所述永磁同步电机的电压方程式如公式(1)：
其中，Ld、Lq为d-q两轴的电感，iα、iβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电流，uα、uβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电压，we为所述静止坐标系α—β轴的电角速度，Eα、Eβ为扩展反电动势，Ψf为永磁体磁链，ωe为电机电角速度，θe为转子位置角，G为系数矩阵，R为定子电阻，p为微分算子。
具体地，在无感磁场定向控制回路中，d-q轴电压经过SVPWM调制后得到三相定子电流iabc和电压vabc；经过Clark变换到静止坐标系α—β下得到电流iα、iβ和电压uα、uβ，将电流iα、iβ和电压uα、uβ作为滑模观测器的输入，使用滑模观测器对系统状态进行观测即可得到转子的位置和速度信息。因此，在所述静止坐标系α—β下的永磁同步电机的电压方程式可建立为如公式(1)所述。
在本实施方式中，当永磁同步电机为表贴式永磁同步电机时，d-q两轴的电感Ld＝Lq＝L，则，
由此可以看出，在扩展反电动势Eα、Eβ中存在转子位置角θe和速度ωe。
如上所述，永磁同步电机在所述α—β静止坐标系的模型中包含有转子速度ωe和转子位置θe的信息；只需要通过获取扩展反电动势Eα、Eβ的值，即可得到转子的位置和速度信息，因此下文中所设计的滑模观测器的目的就是为了获取所述扩展反电动势。
步骤S11，将定子电流的观测误差设计为滑模面。
其中，所述滑模面Sn如公式(3)：
其中，Sα、Sβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的观测误差， 是所述α—β静止坐标系中定子电流的估计电流，iα、iβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的实测电流。
当系统状态到达滑模面后，开始做高频率、小规模的震动，最终和滑模面近乎重合的时候，可以认为所述定子电流的估计电流值等于实测电流值。
步骤S12，设置曲线型控制函数为系统状态切换函数；
其中，所述曲线型控制函数如公式(4)：
其中，arctan为反正切函数，参数a为可调节边界层厚度。
由于，传统滑模所采用的sign控制函数值域在零点处不连续，在实际应用过程中会导致系统状态切换时产生抖动；所述曲线型控制函数z(x)具有连续性且曲线较为平滑的特性，因此本发明实施方式中采用曲线型控制函数z(x)作为系统状态切换函数，代替传统滑模观测中的sign函数，可减少在零点处系统状态切换时产生的抖动，简化系统结构，无需再经滤波处理即可得到反电动势，避免了使用滤波器导致的系统延迟的问题和滤波器的截止频率选择问题。
请参阅图2，为所述曲线型控制函数z(x)的函数图像示意图。其中，arctan(ax)项可使系统状态快速到达滑模面，参数a可调节边界层厚度；三条曲线分别代表参数a取值为2、4、6时的函数图像，Δ1、Δ2、Δ3代表对应的边界层厚度。由此可以看出，参数a越小，边界层厚度越大；而边界层厚度越大，则系统状态越平稳；所以，通过调节参数a来动态调节系统的平顺度，使系统更加平稳。同时，由于所述曲线型控制函数z(x)在零点处连续且曲线较为平滑，将所述曲线型控制函数z(x)作为系统状态切换的控制函数，能够避免系统状态切换时不连续而产生的抖动，从而简化系统结构，无需再经滤波处理即可得到反电动势，避免了使用滤波器带来的相位延迟问题。
步骤S13，设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度。
其中，所述改进型幂次趋近率如公式(5)：
其中，为所述改进型幂次趋近率，q为常数，m为幂指数，x为定子电流的观测误差，z(x)为如上所述的曲线型控制函数z(x)。
当系统状态距离滑模面较远时，-q1|x|m z(x)项起主要作用，用于增大趋近速度；
当系统状态距离滑模面较近时，起主要作用，用于减小系统速度；
如此，系统状态在距离滑模面距离较远时可以快速趋近滑模面，而在快要到达滑模面时减小趋近速度，使得系统状态到达滑模面的时间更加快且更加平稳，可有效降低系统状态切换时的抖动。
由于传统滑模采用的是等速趋近率，即，趋近速度不会因为系统状态距离滑模面距离的远近而发生变化，这会产生趋近速度慢和到达滑模面速度过大等问题。为了解决这类问题，本发明实施方式通过设置所述改进型幂次趋近率代替传统滑模上的等速趋近率，可根据系转状态距离滑模面的距离动态调整趋近速率，使得系统状态过度平缓，可以有效地减少传统滑模观测器的系统抖震现象。
步骤S14，设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器。
具体地，请同时参阅图3，步骤S14，即，设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器，包括如下步骤：
步骤S14a，将所述永磁同步电机的电压方程式(1)中的电压状态方程式改写为电流状态方程式(6)：
步骤S14b，根据所述滑模面Sn、曲线型控制函数z(x)、所述改进型幂次趋近率计算公式、以及所述电流状态方程式(6)设置所述滑模控制律。
其中，所述滑模控制律如公式(7)：
步骤S14c，根据所述永磁同步电机的电流状态方程式(6)和所述滑模控制律(7)构建滑模观测器。
其中，所述滑模观测器如公式(8)：
其中，为滑模观测器的估计电流，uα、uβ为滑模观测器的控制输入电压，sα、sβ为观测电流误差。
步骤S15，通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理。
具体地，请同时参阅图4，步骤S15，即，通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理，包括如下步骤：
步骤S15a，通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差。
其中，所述定子电流的观测误差方程如公式(9)：
其中，Eα、Eβ为扩展反电动势，为滑模观测器估计电流，/>为滑模观测器估计电流与实测电流之差，/>
步骤S15b，通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理。
具体地，所述滑模观测模型是在连续域中建立的，而在实际应用中，处理器是在离散域中进行处理的；因此，在本实施方式中，通过反向差分法将所述定子电流的观测误差方程式(9)离散化处理，如下：
最终得到的结果如公式(12)：
其中，Ts为离散采样周期，k为离散采样时刻，L为电感。
步骤S16，使用锁相环估算转子的速度和位置信息。
其中，所述锁相环通过公式(13)估算转子的速度和位置信息。
其中，为观测的反电势位置角，kE为反电势系数，当/>时，/>则/>
请同时参阅图5、6，为通过本发明实施方式中的一种基于改进型滑模观测器的无位置传感器控制，滑模观测器在带载情况下对转子位置的跟踪结果示意图，以及滑模观测器在高负载情况下对转子速度的跟踪结果示意图。由此可知，本发明实施方式所提出的滑模观测器能够在各种工况下持续稳定地跟踪转子的速度和位置信息。
请参阅图7，为本发明实施方式中的一种永磁同步电机的无位置传感器控制装置的功能模块示意图。其中，所述控制装置20包括：电机模型设置单元21、控制函数选择单元22、趋近速度设置单元23、滑模观测器设置单元24、滑模观测器单元25、以及锁相环计算单元26。
所述电机模型设置单元21，用于在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式。其中，所述永磁同步电机的电压方程式如公式(1)：
其中，Ld、Lq为d-q两轴的电感，iα、iβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电流，uα、uβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电压，we为所述静止坐标系α—β轴的电角速度，Eα、Eβ为扩展反电动势，Ψf为永磁体磁链，ωe为电机电角速度，θe为转子位置角，G为系数矩阵，R为定子电阻，p为微分算子。
在本实施方式中，当永磁同步电机为表贴式永磁同步电机时，d-q两轴的电感Ld＝Lq＝L，则，
所述电机模型设置单元11，还用于将定子电流的观测误差设计为滑模面。其中，所述滑模面Sn如公式(3)：
/>
其中，Sα、Sβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的观测误差， 是所述α—β静止坐标系中定子电流的估计电流，iα、iβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的实测电流。
当系统状态到达滑模面后，开始做高频率、小规模的震动，最终和滑模面近乎重合的时候，可以认为所述定子电流的估计电流值等于实测电流值。
所述控制函数选择单元22，用于设置曲线型控制函数为系统状态切换函数。其中，所述曲线型控制函数如公式(4)：
其中，arctan为反正切函数，参数a为可调节边界层厚度。
由于，传统滑模所采用的sign控制函数值域在零点处不连续，在实际应用过程中会导致系统状态切换时产生抖动；所述曲线型控制函数z(x)具有连续性且曲线较为平滑的特性，因此本发明实施方式中采用曲线型控制函数z(x)作为系统状态切换函数，代替传统滑模观测中的sign函数，可减少在零点处系统状态切换时产生的抖动，简化系统结构，无需再经滤波处理即可得到反电动势，避免了使用滤波器导致的系统延迟的问题和滤波器的截止频率选择问题。
所述趋近速度设置单元23，用于设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度。其中，所述改进型幂次趋近率如公式(5)：
其中，为所述改进型幂次趋近率，q为常数，m为幂指数，x为定子电流的观测误差，z(x)为如上所述的曲线型控制函数z(x)。
当系统状态距离滑模面较远时，-q1|x|m z(x)项起主要作用，用于增大趋近速度；当系统状态距离滑模面较近时，起主要作用，用于减小系统速度。如此，系统状态在距离滑模面距离较远时可以快速趋近滑模面，而在快要到达滑模面时减小趋近速度，使得系统状态到达滑模面的时间更加快且更加平稳，可有效降低系统状态切换时的抖动。
所述滑模观测器设置单元24，用于设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器。
具体地，所述滑模观测器设置单元24用于：
将所述永磁同步电机的电压方程式(1)中的电压状态方程式改写为电流状态方程式(6)：
根据所述滑模面Sn、曲线型控制函数z(x)、所述改进型幂次趋近率计算公式、以及所述电流状态方程式(6)设置所述滑模控制律；其中，所述滑模控制律如公式(7)：
根据所述永磁同步电机的电流状态方程式(6)和所述滑模控制律(7)构建滑模观测器；其中，所述滑模观测器如公式(8)：
其中，为滑模观测器的估计电流，uα、uβ为滑模观测器的控制输入电压，sα、sβ为观测电流误差。
所述滑模观测器单元25，用于通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理。
具体地，所述滑模观测器单元25用于：
通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差；其中，所述定子电流的观测误差方程如公式(9)：
通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理。
在本实施方式中，所述滑模观测器单元25通过反向差分法将所述定子电流的观测误差方程式(9)离散化处理，如下：
最终得到的结果如公式(12)：
其中，Ts为离散采样周期，k为离散采样时刻，L为电感。
所述锁相环计算单元26，用于估算转子的速度和位置信息；其中，所述锁相环计算单元26通过公式(13)估算转子的速度和位置信息。
其中，为观测的反电势位置角，kE为反电势系数，当/>时，/>则/>
请同时参阅图8，为所述锁相环计算单元26估算转子速度和位置信息的计算原理示意图。在本实施方式中，使用PLL锁相环估算转子的速度和位置信息，将扩展反电动势的差值为PI控制器的输入，经过PI控制器的控制，输出的结果为转速然后对所述转速/>进行积分计算即可得到位置角θe；如此，使用正交锁相环对转子的位置和速度进行跟踪，避免了补偿角度，提高对转子位置和速度的估计准确度。
设反电势系数当/>时，/>则：
其中，为观测的反电动势的位置角，/>为观测的反电动势位置角和速度。
如上所述，本发明提供的一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置，通过一种连续的曲线控制函数z(x)代替sign函数，可实现系统状态的平滑切换，避免了高频抖动信号的产生，从而取消了带通滤波环节，减少了系统状态切换时产生的抖动和系统相位延迟；同时，通过一种新的改进型幂次趋近率代替传统滑模观测器的等速趋近率，根据系统状态距离滑模面的远近动态调节趋近速度，当系统状态距离滑模面较远时可增大趋近速度，当系统状态距离滑模面较近时可降低趋近速率，避免了到达滑模面时间较慢和系统到达滑模面速度过大引起的惯性震动；并使用正交锁相环代替反正切运算来计算转子位置和速度信息，提高了转子位置和速度估计的准确度。本发明实现了对永磁同步电机的转子位置和速度进行无传感器观测，解决了传统滑模观测器在状态切换时产生的高频抖动、趋近速度较慢、计算延迟和转子的位置和速度的估算误差等问题，增强了系统的稳定性和鲁棒性，能够在各种工况下持续稳定地跟踪转子的速度和位置信息。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述方法包括：
在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式；其中，所述永磁同步电机的电压方程式如公式(1)：
其中，Ld、Lq为d-q两轴的电感，iα、iβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电流，uα、uβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电压，we为所述静止坐标系α—β轴的电角速度，Eα、Eβ为扩展反电动势，Ψf为永磁体磁链，ωe为电机电角速度，θe为转子位置角，G为系数矩阵，R为定子电阻，p为微分算子；
将定子电流的观测误差设计为滑模面；其中，所述滑模面Sn如公式(3)：
其中，Sα、Sβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的观测误差， 是所述α—β静止坐标系中定子电流的估计电流，iα、iβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的实测电流；
设置曲线型控制函数为系统状态切换函数；其中，所述曲线型控制函数如公式(4)：
其中，arctan为反正切函数，参数a为可调节边界层厚度；
设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度；其中，所述改进型幂次趋近率如公式(5)：
其中，为所述改进型幂次趋近率，q为常数，m为幂指数，x为定子电流的观测误差；
设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器；
通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理；以及
使用锁相环估算转子的速度和位置信息；其中，所述锁相环通过公式(13)估算转子的速度和位置信息；
其中，为观测的反电势位置角，kE为反电势系数，当/>时，/>则
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器，具体包括：
将所述永磁同步电机的电压方程式(1)中的电压状态方程式改写为电流状态方程式(6)：
根据所述滑模面Sn、曲线型控制函数z(x)、所述改进型幂次趋近率计算公式、以及所述电流状态方程式(6)设置所述滑模控制律；其中，所述滑模控制律如公式(7)：
根据所述永磁同步电机的电流状态方程式(6)和所述滑模控制律(7)构建滑模观测器；其中，所述滑模观测器如公式(8)：
其中，为滑模观测器的估计电流，uα、uβ为滑模观测器的控制输入电压，sα、sβ为观测电流误差。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理，具体包括：
通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差；其中，所述定子电流的观测误差方程如公式(9)：
其中，Eα、Eβ为扩展反电动势，为滑模观测器估计电流，/>为滑模观测器估计电流与实测电流之差，/>
通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理得到公式(12)；
其中，Ts为离散采样周期，k为离散采样时刻，L为电感。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理，具体包括：
通过反向差分法将所述定子电流的观测误差方程式(9)进行如公式(10)、(11)所述的离散化处理，从而得到如公式(12)所述的结果；
5.一种永磁同步电机的无位置传感器控制装置，其特征在于，包括：
电机模型设置单元，用于：
在静止坐标系中建立永磁同步电机的电压方程式；其中，所述永磁同步电机的电压方程式如公式(1)：
其中，Ld、Lq为d-q两轴的电感，iα、iβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电流，uα、uβ分别为所述静止坐标系α—β轴的电压，we为所述静止坐标系α—β轴的电角速度，Eα、Eβ为扩展反电动势，Ψf为永磁体磁链，ωe为电机电角速度，θe为转子位置角，G为系数矩阵，R为定子电阻，p为微分算子；
将定子电流的观测误差设计为滑模面；其中，所述滑模面Sn如公式(3)：
其中，Sα、Sβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的观测误差， 是所述α—β静止坐标系中定子电流的估计电流，iα、iβ是所述α—β静止坐标系中定子电流的实测电流；
控制函数选择单元，用于设置曲线型控制函数为系统状态切换函数；其中，所述曲线型控制函数如公式(4)：
其中，arctan为反正切函数，参数a为可调节边界层厚度；
趋近速度设置单元，用于设置改进型幂次趋近率控制系统状态的趋近速度；其中，所述改进型幂次趋近率如公式(5)：
其中，为所述改进型幂次趋近率，q为常数，m为幂指数，x为定子电流的观测误差；
滑模观测器设置单元，用于设置滑模控制律，并根据所述滑模控制律和所述永磁同步电机的电压方程式构建滑模观测器；
滑模观测器单元，用于通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差，并对所述定子电流观测误差进行离散化处理；
锁相环计算单元，用于通过公式(13)估算转子的速度和位置信息；其中，所述公式(13)如下：
其中，为观测的反电势位置角，kE为反电势系数，当/>时，/>则
6.如权利要求5所述的永磁同步电机的无位置传感器控制装置，其特征在于，所述滑模观测器设置单元用于：
将所述永磁同步电机的电压方程式(1)中的电压状态方程式改写为电流状态方程式(6)：
根据所述滑模面Sn、曲线型控制函数z(x)、所述改进型幂次趋近率计算公式、以及所述电流状态方程式(6)设置所述滑模控制律；其中，所述滑模控制律如公式(7)：
根据所述永磁同步电机的电流状态方程式(6)和所述滑模控制律(7)构建滑模观测器；其中，所述滑模观测器如公式(8)：
其中，为滑模观测器的估计电流，uα、uβ为滑模观测器的控制输入电压，sα、sβ为观测电流误差。
7.如权利要求6所述的永磁同步电机的无位置传感器控制装置，其特征在于，所述滑模观测器单元用于：
通过所述滑模观测器计算定子电流观测误差；其中，所述定子电流的观测误差方程如公式(9)：
通过反向差分法对所述定子电流观测误差进行离散化处理。
8.如权利要求7所述的永磁同步电机的无位置传感器控制装置，其特征在于，所述滑模观测器单元通过反向差分法将所述定子电流的观测误差方程式(9)进行如公式(10)、(11)所述的离散化处理，从而得到如公式(12)所述的结果。
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