本發(fā)明涉及一種永磁同步電機傳感器控制方法，尤其涉及一種永磁同步電機無位置傳感器控制方法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機因其體積小、效率高、便于維護以及對環(huán)境適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點倍受高性能驅(qū)動領(lǐng)域的青睞。在永磁同步電機控制系統(tǒng)中，一般需要機械式位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。但是機械式傳感器的使用不僅會增加系統(tǒng)的成本和體積，還會降低系統(tǒng)的可靠性，從而限制了在高性能驅(qū)動應(yīng)用場合的應(yīng)用。因此，永磁同步電機無位置傳感器控制的研究有著極其重要意義。

滑模觀測器具有原理簡單、穩(wěn)定性好等特點，從而成為電機無位置傳感器控制研究領(lǐng)域的一個研究熱點。但是傳統(tǒng)滑模觀測器無位置控制系統(tǒng)抖振較大，同時由于低通濾波器的使用，會帶來相位延遲的問題。當電機運行于低速時，傳統(tǒng)滑模觀測器無位置控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置的估算不夠精確。當系統(tǒng)存在參數(shù)攝動、負載擾動時，傳統(tǒng)滑模觀測器無位置控制系統(tǒng)的快速性和抗擾動能力非常有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種寬轉(zhuǎn)速強魯棒性的永磁同步電機無位置傳感器控制方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種永磁同步電機無位置傳感器控制方法，包括以下步驟：

(1)利用永磁同步電機反電勢方程構(gòu)建反電勢觀測器；

(2)利用電流狀態(tài)觀測器得到滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)，并通過所述反電勢觀測器得到滑模變結(jié)構(gòu)的等效控制函數(shù)，再結(jié)合反電勢增益系數(shù)計算得到反電勢；

(3)所述反電勢通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊，計算得到轉(zhuǎn)子位置。

步驟(1)具體包括：

(1.1)構(gòu)建永磁同步電機反電勢的復(fù)向量方程：

其中，為反電勢復(fù)向量，ψ_f為永磁磁鏈，θ為轉(zhuǎn)子電位置角，ω_e為電機轉(zhuǎn)子電角速度；

(1.2)假設(shè)則反電勢復(fù)向量方程簡化為

(1.3)利用簡化的反電勢復(fù)向量方程構(gòu)建反電勢觀測器：

其中，l₁為反電勢觀測器增益，其值大于零，為估算反電勢復(fù)向量，為估算電機轉(zhuǎn)子電角速度。

步驟(2)具體包括：

(2.1)構(gòu)建永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的復(fù)向量方程：

其中，R_s為定子電阻，L_s為電機的同步電感，為定子電流復(fù)向量，為定子電壓復(fù)向量；

(2.2)電流狀態(tài)觀測器采用sigmoid函數(shù)作為滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)，得到永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的復(fù)向量方程：

其中，為估算定子電流復(fù)向量，為sigmoid函數(shù)，為等效控制函數(shù)，是由經(jīng)過反電勢觀測器得到，l₂是等效控制函數(shù)的反饋增益系數(shù)；

(2.3)定義變量其中，k為滑模系數(shù)，為實際電流和估算電流的差值，α為可調(diào)參數(shù)，其值大于零；

(2.4)將步驟(4.1)和(4.2)中的方程相減可得：

當系統(tǒng)在滑模面上滑動時，滿足條件得到反電勢復(fù)向量為

進一步地步驟(4.2)中，在電流狀態(tài)觀測器中增加狀態(tài)反饋增益R_a和干擾解耦觀測器G_u，得到永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的復(fù)向量方程：

步驟(3)具體為：

所述反電勢通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊，計算得到轉(zhuǎn)子位置：

有益效果：本發(fā)明控制方法將狀態(tài)反饋增益、干擾解耦觀測器和反電勢增益系數(shù)三者結(jié)合應(yīng)用于永磁同步電機無位置傳感器控制方法中，能有效的削弱系統(tǒng)中的抖振現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力；將滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)通過構(gòu)建的反電勢觀測器，得到滑模變結(jié)構(gòu)等效控制函數(shù)，從而解決了相位延遲問題；再通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊提取反電勢信號中的轉(zhuǎn)子位置，提高了轉(zhuǎn)子位置的低速估算精度，進一步擴寬轉(zhuǎn)子位置估算范圍；采用復(fù)向量代替原有的αβ靜止參考坐標系下的標量，從而將控制系統(tǒng)的輸入和輸出量的階數(shù)降為一階，更易于利用頻率響應(yīng)函數(shù)形式分析控制系統(tǒng)的性能；本方法計算量小，有利于工程化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明控制方法的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明控制方法的工作點模型；

圖3是傳統(tǒng)滑模觀測器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是傳統(tǒng)滑模觀測器的工作點模型；

圖5是本發(fā)明控制方法的頻率響應(yīng)圖；

圖6是傳統(tǒng)滑模觀測器的頻率響應(yīng)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。

如圖1所示，永磁同步電機無位置傳感器控制系統(tǒng)包括電流狀態(tài)觀測器、反電勢觀測器和轉(zhuǎn)子位置估算模塊。

永磁同步電機無位置傳感器控制系統(tǒng)的具體控制方法包括如下步驟：

1)利用永磁同步電機反電勢方程構(gòu)建反電勢觀測器。

永磁同步電機反電勢方程的復(fù)向量可表示為：

其中，為反電勢復(fù)向量，ψ_f為永磁磁鏈，θ為轉(zhuǎn)子電位置角，ω_e為電機轉(zhuǎn)子電角速度。

由于轉(zhuǎn)速變化的反應(yīng)時間遠小于定子電流變化的反應(yīng)時間，因此可假設(shè)則反電勢復(fù)向量存在如下關(guān)系：

根據(jù)式2構(gòu)建反電勢觀測器：

其中，l₁為反電勢觀測器增益，其值大于零，為估算反電勢復(fù)向量，為估算電機轉(zhuǎn)子電角速度。

2)通過電流狀態(tài)觀測器得到滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)，并結(jié)合步驟1)構(gòu)建的反電勢觀測器得到估算反電勢，具體算法如下：

永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的復(fù)向量可表示為：

其中，R_s為定子電阻，L_s為電機的同步電感，為定子電流復(fù)向量，為定子電壓復(fù)向量。

為減小系統(tǒng)抖振，采用sigmoid函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)的開關(guān)函數(shù)，作為滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)，則式4可表示為：

其中，為估算定子電流復(fù)向量，為sigmoid函數(shù)，為滑模變結(jié)構(gòu)的等效控制函數(shù)，是由經(jīng)過反電勢觀測器得到，l₂等效控制函數(shù)的反電勢增益系數(shù)。

定義為：

其中，k為滑模系數(shù)，為實際電流和估算電流的差值，α為可調(diào)參數(shù)，其值大于零。

將式4與式5相減，可得：

根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，當系統(tǒng)在滑模面上滑動時，有：

由式7和式8可得：

為進一步提高滑模觀測器的抗干擾能力和魯棒性，在電流狀態(tài)觀測器中增加了狀態(tài)反饋增益R_a和干擾解耦觀測器G_u，則式5可表示為：

3)將步驟2)中計算得到的估算反電勢通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊，計算得到估算轉(zhuǎn)子位置。

轉(zhuǎn)子位置估算模塊為：

其中，為估算轉(zhuǎn)子電位置角，是反電勢復(fù)向量在d軸上的分量，是反電勢復(fù)向量在q軸上的分量，是等效控制函數(shù)在d軸上的分量，是等效控制函數(shù)在q軸上的分量。

根據(jù)滑模運動的存在性和穩(wěn)定性條件，永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置可以順利估算的前提是必須滿足：結(jié)合式7可得：

由于并結(jié)合式6，所以滿足式12的條件為：

由式9和式11可知，當電機低速運行時，反電勢幅值較小，若取0>l₂>-1，則等效控制函數(shù)的幅值明顯大于反電勢的幅值。因此，相比傳統(tǒng)的滑模觀測器無位置傳感器控制系統(tǒng)，本發(fā)明所提出的滑模觀測器無位置傳感器控制系統(tǒng)大大提高了轉(zhuǎn)子位置的低速估算精度。

4)利用小信號線性化分析本發(fā)明所提出的滑模觀測器無位置傳感器控制方法的抗干擾能力與魯棒性。

由于本發(fā)明所提出的滑模觀測器無位置傳感器控制系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，首先需要對系統(tǒng)模型在工作點處做小信號線性化。建立工作點模型過程如下：

對于式3，有：

對于式10，有：

對于式6，有：

對于式9，有：

根據(jù)式14～17，可得到本發(fā)明所提出的滑模觀測器無位置傳感器控制方法的工作點模型，如圖2所示。此外，由圖2可得到本發(fā)明的控制方法的頻率響應(yīng)函數(shù)，即為：

為說明本發(fā)明所提出的滑模觀測器無位置傳感器控制方法的魯棒性和抗干擾能力，本發(fā)明將所提出的控制方法與傳統(tǒng)滑模觀測器作了對比，其中，傳統(tǒng)滑模觀測器如圖3所示。由于傳統(tǒng)滑模觀測器系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，同樣需要對其在工作點處進行小信號線性化。根據(jù)上述對本發(fā)明所提出的控制方法建立工作點模型過程，得到傳統(tǒng)滑模觀測器的工作點模型，如圖4所示。另外，傳統(tǒng)滑模觀測器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

其中，ω_c為低通濾波器的截止頻率，一般為工作頻率的3～5倍。

圖5為當電機運行于50r/min時本發(fā)明永磁同步電機無位置傳感器控制方法下的頻率響應(yīng)圖，圖6為當電機運行于50r/min時傳統(tǒng)滑模觀測器無位置傳感器控制方法下的頻率響應(yīng)圖，通過對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)滑模觀測器無位置傳感器控制方法，本發(fā)明所提出的滑模觀測器無位置傳感器控制方法魯棒性和抗干擾能力大大提高了。