CN106911280A - 基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法。以永磁直线电机静止坐标系下的电压方程为重构目标，设计了新型的扰动观测器，扰动观测器输入为静止坐标系下的电压u_α、u_β和电流i_α、i_β，输出为静止坐标系下的反电势估计值然后将送入锁相环结构，即可求解出位置和速度信息；新型扰动观测器具有较高的抗干扰能力，当存在高频和低频干扰情况下，都能较为精确的估计出位置和速度信息。基于新型扰动观测器的无位置传感器控制方法无需信号注入，避免了滤波器使用，具有高精度和响应速度，确保了永磁直线电机无位置传感器的稳定运行。

Description

基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种直线永磁电机的无位置控制方法。适用于轨道交通、航空航天、数控机床、物流运输等直线电机位置传感器耗费大量成本、无法安装、或可靠性差的情况。

背景技术

永磁直线电机以其结构简单，高效率，大推力的优点受到了越来越多的应用和关注，特别是在轨道交通中的应用前景广阔，直线电机基本原理与旋转电机相同，只是结构与旋转电机不同。结构的转变拓展了新的应用领域，同时直线电机与旋转电机以其各自特有的优点满足社会不同的需求。然而，永磁直线电机的使用往往需配合位置传感器，而位置传感器一方面耗费成本大，且安装、维护等问题也引起了诸多不便，高温潮湿等恶劣环境下可靠性低。永磁直线电机的无位置传感器运行可以有效解决这一问题，为拓宽永磁直线电机应用有重要意义。

当今科研人员研究的无位置传感器运行策略的方法可分为三类：1、基于凸极或饱和凸极的信号注入法；2、基于电磁方程的基波分析法；3、智能算法。其中，信号注入法适于在低速和零速下使用，基波分析法多适于在中高速情况下使用。基于新型扰动观测器的无位置传感器运行策略从属于基波分析法，以电机的电压方程为重构对象。新型扰动观测器具有精度高，响应快，参数灵活，抗干扰能力强等优点满足无位置传感器运行策略位置估计高精度，快收敛，强稳定性的要求。

发明内容

本发明的目的是设计的新型扰动观测器准确、迅速的估计出位置信息，并对高频干扰和直流干扰具有较强抗干扰能力，最终将高精度的位置信息反馈给控制器，以控制电机可靠运行，基于扰动观测器的位置估计模块代替位置传感器，从而解决了位置传感器其使用时的成本高、恶劣环境可靠性差、大规模实施难度大等问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法步骤如下：

步骤1，电流和电压的检测和计算：检测永磁直线电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s(Clark)变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β。检测直流电源的电压与三相占空比，经3s/2s(Clark)变换得两相静止坐标系下电流u_α和u_β。

步骤2，永磁直线电机的启动：两开关置于1触点，***处于启动阶段。此阶段下，函数发生器给定恒定频率的角度，供坐标变换使用。i_α和i_β再经2s/2r(Park)变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d和i_q。i_d参考值为0，i_q参考值为一恰当正值，分别与反馈的i_d，i_q做差，经过PI控制器输出参考电压u_d，u_q。u_d，u_q经过2r/2s(Park^-1)坐标变换后得到u_α，u_β的参考值，最终输出SVPWM波驱电机动子运动。

步骤3，反电势的观测：取i_α、i_β；取直流母线电压和三相占空比求解得到u_α、u_β，新型扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势e_α，e_β；

步骤4，估计位置与速度的计算：e_α，e_β送入锁相环模块求解出估计速度，与估计反电势的相位，补偿模块对相位补偿后输出估计位置。

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：两开关切换置于2触点，***处于调速阶段。该工作模式下参考速度与估计速度做差，经PI控制器得到i_q参考值；设置i_d参考值为0。i_d，i_q参考值分别与反馈值做差，经过PI控制器输出参考电压u_d，u_q。u_d，u_q经过坐标变换后得到u_α，u_β，最终输出SVPWM波驱电机动子运动，调速阶段可通过改变参考速度进行电机调速。

进一步，所述步骤2中，永磁直线电机的启动：两开关置于1触点，***处于启动阶段，函数发生器产生固定频率的给定角度。此时，设定i_q*为某一恰当的正数，设定i_d*为零。上述情况下，转速环被屏蔽，电流环的坐标变换角度由给定角度提供。如此，产生了旋转的i_q，又因为控制i_d＝0，故电流为等幅值等角频率旋转的矢量，在直线电机中表现为感应出等速度平移的磁场，动子在变化的磁场中受力，最终动子可从静止逐渐达到某一速度。其中，i_q*的选取尤为重要。若i_q*值选取过小，可能导致启动推力不够，动子无法运动；若i_q*值选取过大，会导致电流过大，可能危害绕组和永磁体。i_q*应选取为适合给定角度下启动的尽可能小值。

进一步，所述步骤3中新型扰动观测器：新型扰动观测器中，G₀、G₁为比例加积分结构，L、R为形式变量，无实际物理意义。扰动观测器扰动量与输入之间的传递函数为：

当G₁，G₂满足

G₁＝-(Ls+R)G₂

扰动观测器扰动量与输入之间的传递函数为可写作

根据扰动观测器扰动量与输入之间的传递函数可知，当某一变量y与u₁，u₂存在

y＝u₁-(Ls+R)u₂

新型的扰动观测器可用于估计此变量y，且估计传递函数为

只需设置G₀、G₁的参数即可改变此传递函数，零极点调的整灵活。

进一步，所述步骤3中用于反电势估计新型扰动观测器：对于永磁直线电机，电压方程如下

e_s＝u_s-(Ls+R)i_s

下标“s”可替换成“α”或“β”来表示对应静止坐标系下α或β的分量；L表示电感，R表示电阻。可通过新型扰动观测器估计永磁直线电机的反电势。以电压u_s、电流i_s为输入，反电势e_s为扰动，应用到扰动观测器中，将扰动估计量即输出。G₀、G₁为比例积分结构，G₂参数需与G₁配合设置。

G₀，G₁定义为

且G₁，G₂满足

G₁＝-(Ls+R)G₂

取k_0p＝R-(ω₂+ω₃)L，k_0i＝-ω₂ω₃L，k_1p＝-R，k_1i＝(ω₂-ω₁)ω₃L，可得

其中，ω₁、ω₂、ω₃为观测器参数，且满足ω₃>>ω₂>>ω₁≧0。新型扰动观测器具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。可以较为准确和迅速的估计出静止坐标系下的反电势，保障了位置与速度信息的估计效果。

进一步，所述步骤4中的估计位置与速度计算中补偿模块：提出观测器的扰动估计量与真实扰动量存在如下关系

其相频特性为：

因此估计反电势与真实反电势相位之间存在如下关系：

观测器估计的反电势与真实值相差一定相位，此相位差与观测器参数和反电势矢量角的角速度有关。因此，将锁相环输出的角速度送入相位补偿环节，修正观测器带来的相位影响。而依据实际使用中截止频率的设定，第一项的值往往远小于第二项，故补偿量为

本发明具有以下有益效果：

1)本发明以软件中构建的位置估计模块，代替了硬件中的位置传感器的使用，节约了成本且简化了硬件***的结构。与矢量控制技术相结合，综合了二者的优点，突破了一系列位置传感器使用的弊端，拓宽了直线永磁电机的应用领域。

2)本发明针对基于反电势方法的无位置传感器控制，零速下难以正常工作的情况，采用新的启动方法使得电机能在没有位置传感器的情况下启动。再结合位置估计算法使得电机具有启动、调速功能。

3)本发明以观测器的方式估计位置信息，避免使用滤波器，因此拥有更宽的带宽和稳定性。

4)位置估计模块中的扰动观测器具有新型结构，大大提高对低频干扰的抑制能力，使之具有高精度和高响应速度，使得基于此观测器的永磁直线电机无位置传感器控制更为稳定可靠。

5)本发明同样适用于其他直线或旋转结构的永磁型同步电机。

附图说明

图1为基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制原理图；

图2为新型扰动观测器结构图；

图3为用于观测反电势的新型扰动观测器结构图；

图4为锁相环结构图

图5为基于图3所示观测器、图4所示锁相环的位置估计模块结构图；

图6为电机变速运行时估计反电势波形图

图7为电机变速运行时估计速度与实际速度对比图；

图8为电机变速运行时速度估计误差图；

图9为电机变速运行时估计位置与实际位置对比图；

图10为电机变速运行时位置估计误差图；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤1：电流和电压的检测和计算

检测永磁直线电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s(Clark)变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β。检测直流电源的电压与三相占空比，经3s/2s(Clark)变换得两相静止坐标系下电流u_α和u_β。计算方法如下，

其中Sa，Sb，Sc为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

步骤2，永磁直线电机的启动：

先将两开关置于1触点，电机运行在启动阶段。由函数发生器发出恒频率f_ref的给定角度，现实中取f_ref＝10Hz。i_α和i_β经2s/2r(Park)变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d和i_q。取i_q*为一恰当的正值，i_d*为零。i_d、i_q分别与参考值i_d*、i_q*做差，经过PI控制器得到消除偏差的u_d，u_q。u_d，u_q以函数发生器给定的角度做2r/2s(Park^-1)变换得到u_α，u_β的参考值。再经空间矢量调制模块得到控制逆变器的开关信号，电机绕组通过逆变器与电源相连。电机绕组与电源相连，产生的电流感应出磁场，与永磁体感应的磁场互相作用，产生了推力，开关置于1触点时，i_d，i_q控制为恒值，即电流矢量为等幅值等角频率旋转的，故而绕组电流感应的磁场是匀速前进的，动子的永磁体在此磁场中受力从静止逐渐达到一定速度。

其中，i_q*的选取尤为重要。若i_q*值选取较小，可能导致启动推力不够，动子无法运动；若i_q*值选取过大，会导致电流过大，危害绕组和永磁体。本实例所用永磁直线电机额定电流为5A，现实中取i_q*＝4A。

步骤3，反电势的观测：

新型扰动观测器估计反电势的核心为永磁直线电机静止坐标系下的电压方程：

其中R为电枢内阻，ω为反电势角速度，θ_e为反电势矢量角，ψ_f为永磁体磁链幅值，L_α、L_β为电枢电感在静止坐标系的分量。

永磁直线电机静止坐标系下的电压方程含义为电压分为三部分：1、电枢绕组的内阻分压；2、电感的分压；3、永磁体感应出的反电势。其中第三部分电压，即永磁体感应出的反电势由三种因素决定：a、绕组切割永磁体感应的磁场速度ω；b、永磁体的磁链大小ψ_f；c、永磁体所在的位置θ_e。永磁体所在位置是为电机矢量控制***中提供坐标变换、速度反馈的重要信息。基于反电势法的位置估计模块大都基于电压方程，求得静止坐标系下的反电势，再经过锁相环处理得到永磁体的位置信息。静止坐标系下的反电势表达式如下

以电压u_s、电流i_s为输入，反电势e_s为扰动，应用到新型扰动观测器中，将扰动估计量即输出。新型扰动观测器的原理图如图3所示，G₀、G₁为比例积分结构，G₂参数需与G₁配合设置。其中G₀，G₁定义为

新型扰动观测器的传递函数为

当存在关系

G₁＝-(Ls+R)G₂

且联立永磁直线电机的电压方程

E＝U_s-(Ls+R)i_s

可得

取k_0p＝R-(ω₂+ω₃)L，k_0i＝-ω₂ω₃L，k_1p＝-R，k_1i＝(ω₂-ω₁)ω₃L，上式可写为

当满足ω₃>>ω₂>>ω₁≧0，新型扰动观测器具有带通滤波器的效果，可以抑制高频和直流的干扰。

本实例中目标参数设置为ω₁＝0.25，ω₂＝10，ω₃＝800。样机参数R＝1.25Ω、L＝0.085H已知，根据关系k_0p＝R-(ω₂+ω₃)L，k_0i＝-ω₂ω₃L，k_1p＝-R，k_1i＝(ω₂-ω₁)ω₃L，可以确定G₀、G₁各参数的值，进而根据G₁与G₂的关系确定G₂各参数的值。

定义估计值反电势与真实反电势的差为估计误差e_d，即

当t₀时刻满足

当δ为一较小的正实数，又ω₃>>ω₂>>ω₁≧0，可得二阶误差微分方程

解得

其中A，B为常数，由上式知，在t→∞时，e_d＝0。证明新型扰动观测器是收敛的。

步骤4，估计位置与速度的计算：

e_α，e_β的估计值输入锁相环可得到平滑的位置信息和位置微分信息。锁相环结构如图4所示，以角度为输入，角度和角度的微分为输出，具有快收敛，高精度的优点，兼有一定程度的去除杂波效果，输出的角度几乎无相差，速度毛刺小。

依据观测器的传递函数可知观测器的幅相频特性为：

因此估计反电势与真实反电势幅值和相位之间存在如下关系：

观测器估计的反电势与真实值幅值相差一定倍数关系，但由于两分量幅值的等比例放缩不影响矢量的角度，因此观测器对幅值的影响可不予考虑。观测器估计的反电势与真实值相差一定角度，此角度与观测器参数和反电势矢量角的角速度有关。因此，将锁相环输出的角速度送入角度补偿环节，修正观测器带来的角度影响。观测器具有带通的效果，亦可等效为高通环节和低通环节的串联使用，即

观测器的扰动估计量函数的相位偏移与扰动量的频率存在如下关系

因此，需将扰动量角频率估计值代入式中用以补偿。而依据实际使用中截止频率的设定，第一项往往远小于第二项，故补偿量为

图5为基于新型观测器和锁相环的位置估计模块。锁相环输出的反电势矢量角速度经补偿环节得出补偿角θ_com，与锁相环输出的反电势矢量角θ相减作为位置估计模块的输出θ_e。根据v＝ωτ/2π，由反电势矢量角速度ω求取动子速度v。

本发明实例中锁相环PI环节参数取PPL-kp＝70，PPL-ki＝500。

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：

当速度较为稳定后，将两开关置于2触点，电机运行在调速阶段。由位置估计模块提供位置和速度，i_d*仍为零，i_q*由参考速度v*与估计速度v的偏差经PI控制器得到。电流传感器反馈的三相电流i_a，i_b，i_c经Clark变换得到静止坐标系下的电流i_α，i_β。i_α，i_β以位置估计模块估计的角度做Park变换，得到i_d，i_q。i_d、i_q分别与参考值i_d*、i_q*做差，经过PI控制器得到消除偏差的u_d，u_q。u_d，u_q以位置估计模块估计的的角度做反Park变换得到u_α，u_β。u_α，u_β通过空间矢量调制模块得到控制逆变器的开关信号，电机绕组通过逆变器与电源相连。电机绕组与电源相连，产生的电流感应出磁场，与永磁体感应的磁场互相作用，产生了推力，开关置于2触点，i_d为恒值，由于速度环的输出i_q*为变值，因此i_q为变值，与启动阶段相比，电流不再为恒幅值等频率变化的矢量，磁场不再为匀速前进的磁场。而是最终体现为绕组产生磁场的推力大小与速度的偏差有关，当反馈速度大于参考速度，减小推力；反之，当反馈速度小于参考速度，增大推力。通过此方法使电机运行在参考速度下，也可通过改变参考速度使电机调速。

基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器运行，t∈[0,0.01)开关置于1触点，为启动阶段；t∈[0.01,1]开关置于2触点，为调速阶段。参考速度设置为[0,0.5]区间内的变值，并在0.8s时突加负载。其中，实测位置和速度不参与电机控制，只是用来与估计值做比较，检验估计精度。

图6为电机变速运行时估计反电势波形图，静止坐标系下两相反电势正弦度较高，幅值相同，相位互差π/2。且反电势幅值随电机速度成正比例关系。

图7为电机变速运行时估计速度与实际速度对比图，二者重合度较高。真实速度能在有限时间内达到参考速度，变负载后速度服从给定。此图说明了基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器运行具有较好的调速能力。

图8为电机变速运行时速度估计误差图，为定量的描述速度估计精度，估计误差在±0.01m/s范围内，速度估计精度较高。

图9为电机变速运行时估计位置与实际位置对比图，二者重合度较高

图10为电机变速运行时位置估计误差图，估计误差在±5°范围内，位置估计精度较高。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，电流和电压的检测和计算：检测永磁直线电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s Clark变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s Clark变换得两相静止坐标系下电流u_α和u_β；

步骤2，永磁直线电机的启动：两开关置于1触点，***处于启动阶段，此阶段下，函数发生器给定恒定频率的角度，供坐标变换使用，i_α和i_β经2s/2r Park变换得到两相旋转坐标系下的电流i_d和i_q；i_d参考值为0，i_q参考值为一恰当正值，分别与反馈的i_d，i_q做差，经过PI控制器输出参考电压u_d，u_q；u_d，u_q经过2r/2s Park^-1坐标变换后得到u_α，u_β的参考值，最终输出SVPWM波驱电机动子运动；

步骤3，反电势的观测：取i_α、i_β；取直流母线电压和三相占空比求解得到u_α、u_β，新型扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势

步骤4，估计位置与速度的计算：送入锁相环模块求解出估计速度，与估计反电势的相位，补偿模块对相位补偿后输出估计位置；

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：两开关切换置于2触点，***处于调速阶段，该工作模式下参考速度与估计速度做差，经PI控制器得到i_q参考值；设置i_d参考值为0，i_d，i_q参考值分别与反馈值做差，经过PI控制器输出参考电压u_d，u_q。u_d，u_q经过坐标变换后得到u_α，u_β，最终输出SVPWM波驱电机动子运动，调速阶段可通过改变参考速度进行电机调速。

2.根据权利要求1所述的基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤2的启动过程中：

两开关置于1触点，***处于启动阶段，函数发生器产生固定频率的给定角度；此时，设定i_q*为某一恰当的正数，设定i_d*为零；上述情况下，转速环被屏蔽，电流环的坐标变换角度由给定角度提供；如此产生了旋转的i_q，又因为控制i_d＝0，故电流为等幅值等角频率旋转的矢量，在直线电机中表现为感应出等速度平移的磁场，动子在变化的磁场中受力，最终动子可从静止逐渐达到某一速度；所述i_q*应选取为适合给定角度下启动的尽可能小值。

3.根据权利要求1所述的基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤3中新型扰动观测器的设计如下：

扰动观测器扰动量与输入之间的传递函数为：

$\hat{y}=\frac{(Ls+R)G_2-G_0}{Ls+R-G_0}{u}_1+\frac{(Ls+R)(G_0+G_1)}{Ls+R-G_0}{u}_2$

其中，G₀、G₁为比例加积分结构，L、R为形式变量，无实际物理意义；当G₁，G₂满足

G₁＝-(Ls+R)G₂

扰动观测器扰动量与输入之间的传递函数为可写作

$\hat{y}=-\frac{(G_0+G_1)}{Ls+R-G_0}\[u_1-(Ls+R)u_2\]$

根据扰动观测器扰动量与输入之间的传递函数可知，当某一变量y与u₁，u₂存在

y＝u₁-(Ls+R)u₂

新型的扰动观测器可用于估计此变量y，且估计传递函数为

$\hat{y}=-\frac{(G_0+G_1)}{Ls+R-G_0}y$

只需设置G₀、G₁的参数即可改变此传递函数，零极点调的整灵活。

4.根据权利要求1所述的基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤3中新型扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势为：

对于永磁直线电机，电压方程如下

e_s＝u_s-(Ls+R)i_s

下标“s”可替换成“α”或“β”来表示对应静止坐标系下α或β的分量；L表示电感，R表示电阻；通过新型扰动观测器估计永磁直线电机的反电势，以电压u_s、电流i_s为输入，反电势e_s为扰动，应用到扰动观测器中，将扰动估计量输出，新型扰动观测器中，G₀、G₁为比例积分结构，G₂参数需与G₁配合设置；

G₀，G₁定义为

$\left\{\begin{array}{c}{G}_0=k_{0p}+\frac{k_{0i}}{s}\\ G_1=k_{1p}+\frac{k_{1i}}{s}\end{array}\right.$

且G₁，G₂满足

G₁＝-(Ls+R)G₂

取k_0p＝R-(ω₂+ω₃)L，k_0i＝-ω₂ω₃L，k_1p＝-R，k_1i＝(ω₂-ω₁)ω₃L，可得

${\hat{e}}_s=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_1){\mathrm{\ω}}_3}{s^2+({\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_3)s+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_3}{e}_s$

其中，ω₁、ω₂、ω₃为观测器参数，且满足ω₃>>ω₂>>ω₁≧0。

5.根据权利要求1所述的基于新型扰动观测器的永磁直线电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤4中的估计位置与速度计算中，观测器的扰动估计量与真实扰动量存在如下关系

${\hat{e}}_s=\frac{(s+{\mathrm{\ω}}_1){\mathrm{\ω}}_3}{s^2+({\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_3)s+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ω}}_3}{e}_s$

其相频特性为：

$\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{\ω}({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)}{{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}^2}\right)-\arctan \frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_3}$

因此估计反电势与真实反电势相位之间存在如下关系：

$\∠{\hat{e}}_s=\∠e_s+\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\ω}\right)$

观测器估计的反电势与真实值相差一定相位，此相位差与观测器参数和反电势矢量角的角速度有关；因此，将锁相环输出的角速度送入相位补偿环节，修正观测器带来的相位影响；而依据实际使用中截止频率的设定，第一项的值往往远小于第二项，故补偿量为

${\mathrm{\θ}}_{compensate}=\arctan \frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_3}.$