一种基于非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种控制方法，特别涉及一种基于非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、功率密度高、转动惯量低和高效节能等优点，在驱动控制领域得到了广泛应用，但永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，容易受到各种因素的扰动，设计合适的控制策略具有相当重要的作用。一般来说，永磁同步电机的有效矢量控制需要转子位置和速度的精确测量信息，以进行旋转矢量变换和速度反馈。因此，需要在电机轴上安装一些额外的机械传感器。然而，这些传感器会导致成本增加、系统复杂性、可靠性降低。因此，无传感器控制将会是今后电机控制邻域发展的热点。

无传感器控制方案可分为两种主要类型：高频信号注入方法和基于模型的方法。第一种类型基于电机显著性，当反电动势值可忽略时，它在静止和低速区域具有有效性能。然而，高频信号注入方法存在着噪声大、解调过程复杂等缺点。第二种类型基于电机反电动势，当反电势值足以准确提取永磁同步电机的位置和速度时，它适用于中等和额定转速区域。此外，这种类型取决于电机参数，这对估计性能有影响。常见的基于模型的方法包括模型参考自适应系统、扩展卡尔曼滤波和滑模观测器。在上述方法中，滑模观测器方法是最受欢迎的方法，因为它具有鲁棒性强，结构简单，收敛速度快等优点。然而，传统的滑模观测器采用了突变的符号函数作为控制率，不可避免的造成了电机的抖振问题。所以提出一种抖振较小的永磁同步电机无传感器控制方法是有必要的。

发明内容

本发明提出了一种基于非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制方法，提高了永磁同步电机系统的抗干扰能力，拥有更好的稳定性能。

本发明的技术方案为：

一种基于扩张状态观测器的永磁同步电机无传感器控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立表贴式永磁同步电机在αβ两相静止坐标系下的电流状态方程，构造电流状态观测器方程，并计算电流误差状态方程；

步骤2、以电流观测误差作为状态变量，设计一种非奇异终端滑模面；

步骤3、基于电流误差状态方程和非奇异终端滑面，设计控制律；

步骤4、设计非奇异终端滑模观测器；

步骤5、使用Levant微分器对反电动势的观测值进行滤波；

步骤6、设计锁相环，对转子位置和速度进行估计。

进一步，在所述步骤1中，永磁同步电机在αβ两相静止坐标系下的电流状态方程为：

上式中，i

上式中，ψ

上式中，

上式中，

进一步，在所述步骤2中，非奇异终端滑模面的函数表达式为：

上式中，b为大于零的常数，1＜γ

进一步，在所述步骤3中，非奇异终端滑模的控制律为：

上式中，k、η、b为大于零的常数，1＜γ

进一步，在所述步骤4中，非奇异终端滑模观测器的函数表达式为：

上式中，k、η、b为大于零的常数，1＜γ

进一步，在所述步骤5中，使用Levant微分器对反电动势的观测值进行滤波，Levant微分器设计如下:

上式中，L、λ

进一步，在所述步骤6中，经过滤波后的反电动势作为锁相环的输入，锁相环输出的电机的反电动势差值方程为：

上式中，ψ

基于锁相环原理调节PI调节器的参数即可以精确地估算转子位置电角度和电角速度。

本发明的有益效果：

1)本发明构造的积分型非奇异终端滑模面，可以使得电流观测误差在有限时间收敛到零，避免了奇异问题；

2)设计的非奇异终端滑模观测器能进一步提高系统的抗干扰能力，拥有更好的稳定性能；

3)使用Levant微分器可以减小低通滤波器引起的相位滞后，且反电动势的幅值不会衰减；

4)采用锁相环来观测转子位置和速度，可以提高转子位置估算精度。

附图说明

图1为非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制系统结构图；

图2为锁相环的结构图；

图3为传统滑模观测器的转子速度估计值及其误差的仿真结果图；

图4为传统滑模观测器的转子位置估计值及其误差的仿真结果图；

图5为非奇异终端滑模观测器的转子速度估计值及其误差的仿真结果图；

图6为非奇异终端滑模观测器的转子位置估计值及其误差的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地实施。

本发明的非奇异终端滑模观测器的系统结构图如图1所示，仿真中电机参数如表1所示。

表1为仿真所用的永磁同步电机参数

一种基于非奇异终端滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于所述方法的实现过程为：

在所述步骤1中，永磁同步电机在αβ两相静止坐标系下的电流状态方程为：

上式中，i

上式中，ψ

上式中，

上式中，

在所述步骤2中，非奇异终端滑模面的函数表达式为：

上式中，b为大于零的常数，1＜γ

在所述步骤3中，非奇异终端滑模的控制律为：

上式中，k、η、b为大于零的常数，1＜γ

在所述步骤4中，非奇异终端滑模观测器的函数表达式为：

上式中，k、η、b为大于零的常数，1＜γ

在所述步骤5中，使用Levant微分器对反电动势的观测值进行滤波，Levant微分器设计如下:

上式中，L、λ

在所述步骤6中，经过滤波后的反电动势作为锁相环的输入，锁相环输出的电机的反电动势差值方程为：

上式中，ψ

基于锁相环原理调节PI调节器的参数即可以精确地估算转子位置电角度和电角速度。

具体地，在t＝0.3s时，突加10N·m的负载，选取非奇异终端滑模观测器的参数为

使用Levant微分器对观测到的反电动势进行滤波，选取的参数为λ

转子位置用锁相环估计，锁相环中的PI参数设置为K

设计非奇异终端滑模观测器，通过仿真对比，验证本发明的控制效果。具体地，设置永磁同步电机的期望转速为1000rpm，设置上述突加负载。图3和图4为传统滑模观测器的仿真结果图，图3为转子速度估计值及其误差的仿真结果图，图4为转子位置估计值及其误差的仿真结果图。图5和图6为非奇异终端滑模观测器的仿真结果图，图5为转子速度估计值及其误差的仿真结果图，图6为转子位置估计值及其误差的仿真结果图。

由仿真结果可以看出，综合来说，非奇异终端滑模观测器与传统滑模观测器相比，具有更小的抖振，拥有更好的稳定性能。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。