CN110649849A - 一种基于新型滑模观测器的磁通切换型永磁直线电机无位置控制方法 - Google Patents

一种基于新型滑模观测器的磁通切换型永磁直线电机无位置控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于新型滑模观测器的磁通切换型永磁直线电机的无位置传感器控制方法。利用改进的滑模观测器估算电机动子位置与速度信息，实现该电机的无位置传感器速度闭环矢量控制。利用Sigmoid函数代替传统滑模观测器中的开关函数，大大减小了***抖振，并引入自适应反馈增益扩展了滑模观测器的工作速度范围，通过锁相环从观测到的反电势中估算出电机的速度和位置。基于新型滑模观测器的磁通切换永磁直线电机无位置控制方法，避免了位置传感器的安装，降低了***成本并提高了可靠性。

Description

一种基于新型滑模观测器的磁通切换型永磁直线电机无位置 控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于新型滑模观测器的磁通切换型永磁直线电机的无位置控制方法，适用于位置传感器成本高的轨道交通等长行程驱动***领域。
背景技术
磁通切换型永磁直线电机(LFSPM)的永磁体和电枢绕组均置于初级短动子上，而次级长定子仅由导磁材料组成。相比于直线感应电机、永磁同步直线电机而言，LFSPM电机同时具备低成本、高效率和高推力密度的优点，在轨道交通驱动***领域具有广阔的应用前景。高性能的LFSPM电机控制需要准确的位置和速度信息，但昂贵的光栅尺等位置传感器会使得整个驱动***的成本增加、可靠性降低。因此，LFSPM电机的无位置控制可以有效降低***的成本，同时提高***运行的可靠性。
目前国内外关于LFSPM电机无位置传感器控制策略的研究很少，因此研究LFSPM电机的无位置控制具有重要意义。目前永磁同步电机的无位置传感器控制方法按适用的速度范围可为两大类。第一类是基于电机凸极性的电机低速位置检测，但注入的高频信号会引起较大的转矩脉动。另一类是基于电机反电势的电机中高速位置检测，从电机反电势中提取出电机的位置和速度信息。但是在低速时，电机的反电势过小，无法准确地提取出电机的位置信息，因此适用于电机的中高速运行范围。其中滑模观测器法具有算法简单、鲁棒性强、易于工程实现等优点，适合轨道交通等干扰信号较多的应用场合。
传统的滑模观测器主要采用开关函数作为控制函数，通过调节滑模增益的大小让***快速稳定地进入滑模运动状态，使得估算电流收敛于实际电流得到估算的反电势信号。然后通过反正切函数对估算得到的反电势进行运算，从而得到估算的位置和速度信号。但是由于开关函数不连续，***会产生较大的抖振；同时反正切函数的采用会降低估算位置的准确性。通过采用Sigmoid函数和锁相环，提高了估算位置的精度；另外采用反馈控制大大降低了滑模观测器的最小工作速度。在起动阶段采用有位置控制，当电机运行到上述的最小工作速度时，切换到新型的滑模观测器进行控制，实现无位置控制。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明的目的是克服机械式位置传感器带来的不足，提供一种基于滑模观测器法的LFSPM电机无位置传感器控制方法。此方法改善了传统滑模观测器的抖振现象并扩展了观测器的工作速度范围。
基于滑模观测器法的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制方法包括以下步骤：
步骤1：检测磁通切换型永磁直线电机的三相电流ia、ib、ic，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ，检测电源电压及占空比Sa、Sb、Sc，再经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电压uα和uβ；
步骤2：根据步骤1中得到的电流和电压信号，通过滑模观测器估计出静止坐标系下的反电势eα和eβ，进而通过锁相环估算得到电机的速度和位置；
步骤3：电机无位置传感器控制下调速运行，矢量控制通过参考速度与估计速度作差，经PI控制器得到iq的参考值iq *，而id的参考值id *设为零，即采用id＝0控制策略。对两相旋转坐标系下电流的参考值与反馈值作差，经过PI控制器得到给定电压ud和uq，再经坐标变化得到静止坐标系下的给定电压uα和uβ，然后通过SVPWM模块得到占空比控制逆变器，从而控制LFSPM电机。
进一步，所述步骤1中，两相静止坐标系下的电流iα和iβ和电压uα和uβ：
Figure BSA0000193832040000021
其中Sa、Sb、Sc为占空比大小，Udc为直流母线电压值。
进一步，所述步骤2中，新型滑模观测器中引入变量Zeq和1，重新建立LFSPM电机的数学模型，其中Zeq是估算反电势滤除高频噪声后的等效控制量，1为等效控制量Zeq的反馈增益，具体如下电机的数学模型重建为：
Figure BSA0000193832040000022
Figure BSA0000193832040000023
式中R、LDC分别为定子电阻和电感直流分量，ωc为低通滤波器的截止频率。
进一步，还包括：新型滑模观测器通过Sigmoid函数代替开关函数以减小***抖振，可表示为：
Figure BSA0000193832040000024
Figure BSA0000193832040000025
式中，kω为滑模增益，a为Sigmoid中的可调参数。
进一步，根据李雅普诺夫稳定性定理，***滑模运动收敛和稳定的条件为：
S·S≤0
Figure BSA0000193832040000031
联立上式，可以得到：
kω·(1+l)＞max(|eα|，|eβ|)
其中，eα和eβ为反电势信号。
进一步，新型滑模观测器中，采用反馈增益扩展电机滑模无位置控制的速度范围，而反馈增益若为恒定值则会降低电机中高速运行时的估算精度，因此反馈增益值可设计为：
l＝v-1
其中，v为电机速度，而在实际运行中为估算得到的速度大小。
滑模增益和等效控制量可表示为：
Figure BSA0000193832040000032
Figure BSA0000193832040000033
式中τs为电机的定子极距，ψm为电机的磁链值，ωe和θe分别为电机的角速度和位置角。
进一步，新型滑模观测器中采用锁相环代替传统的反正切函数估算电机位置和速度。通过观测器得到的等效控制量Zeq再经过锁相环得到估算的速度与位置角。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明中的新型滑模观测器模块，不用于传统的滑模观测器。传统滑模观测器采用开关函数作为控制函数，并由反正切函数估算速度和位置；而新型滑模观测器采用Sigmoid函数代替开关函数，有效减小***抖振，同时采用锁相环估算位置，提高了位置估算的精度。另外通过引入自适应反馈增益使得滑模观测器的最低工作速度大大减小，并在不同工作速度下达到较好的控制效果。
2)基于新型滑模观测器的无位置模块估算的位置和速度信号具有较高的精度，解决了光栅尺等位置传感器安装成本高的问题，提高了驱动***的可靠性。
3)本发明同样适用于其他旋转同步电机的无位置控制。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是基于滑模观测器的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制框图；
图2是新型滑模观测器法原理框图；
图3是电机稳定运行时估算的反电势波形；
图4是电机在空载情况下速度突变的波形图，从上至下依次为：估算速度波形、实际速度波形、估算速度误差及相电流波形；
图5是电机在空载情况下速度突变的波形图，从上至下依次为：估算位置波形、实际位置波形及位置误差波形；
图6是电机突加负载情况下的波形图，从上至下依次为：估算速度波形、速度误差波形、拉力波形及电机相电流波形；
图7是电机突加负载情况下的波形图，从上至下依次为：估算位置波形、实际位置波形及位置误差波形。
具体实施方式
本发明提供一种基于滑模观测器法的LFSPM电机无位置传感器控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
步骤1：通过A/D采样获得磁通切换型永磁直线电机的三相电流ia、ib、ic，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ；结合母线电压及占空比信号，经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下系下的电压uα和uβ；
Figure BSA0000193832040000041
Figure BSA0000193832040000042
其中Sa、Sb、Sc为控制器输出的占空比大小，Udc为直流母线电压值。
步骤2：已知电机在两相静止坐标系下的电流和电压后，可由观测器获得：
磁通切换型永磁直线电机在静止坐标系重构的状态方程为：
Figure BSA0000193832040000043
Figure BSA0000193832040000051
式中R、LDC分别为定子电阻和电感直流分量，ωc为低通滤波器的截止频率，Zeq是估算反电势滤除高频噪声后的等效控制量，1为等效控制量Zeq的反馈增益。
新型滑模观测器通过Sigmoid函数代替开关函数以减小***抖振，可表示为：
Figure BSA0000193832040000053
式中，kω为滑模增益，a为Sigmoid中的可调参数。
由李雅普诺夫稳定性定理，可知***稳定的条件为：
S·S≤0
Figure BSA0000193832040000054
联立上式，可以得到：
kω·(1+l)＞max(|eα|，|eβ|)
其中eα和eβ为反电势信号。
新型滑模观测器引入反馈增益降低观测器的最低工作速度，而反馈增益应根据电机运行速度实时变化，可设计为：
l＝v-1
式中v为电机的速度，而在实际运行中为观测器估算得到的速度。
根据上述的自适应反馈增益，滑模增益和等效控制量可表示为：
Figure BSA0000193832040000056
式中τs为电机的定子极距，ψm为电机的磁链值，ωe和θe分别为电机的角速度和位置角。滑模观测器无位置估计模块的结构框图如图3所示。
新型滑模观测器中采用锁相环估算电机位置和速度，通过滑模观测器得到的等效控制量Zeq再经过锁相环得到估算的速度与位置角。
由于电机起动时，电机的反电势非常小，滑模观测器无法准确估算电机的位置，因此电机在接近零速时采用有位置控制。在起动阶段，滑模观测器只起到观测的作用，当电机运行至新型滑模观测器的最低工作速度时，切入无位置控制。直流母线电压给定40V，电机速度给定0.5m/s，空载起动，运行0.3s后给定速度突变为1m/s。图4为估算的电机速度和实际速度的比较图，可以看出，观测器估算出的速度在动态和稳态时均与实际速度保持较高的吻合度，稳态情况下的估算速度保持0.01m/s内。在图5为估算的电机位置和实际位置的比较图，估算位置能够很好地跟踪电机实际位置，角度误差保持在0.15rad范围内。实验结果证实了新型滑模观测器对电机的速度和位置均具有较高的估算精度。
图6为电机稳定运行一段时间后突加50N负载的估算速度和实际速度比较图，可以看出电机速度能够很快地恢复到稳定状态。图7为估算的电机位置和实际位置比较图，估算位置误差在突加负载后很快重新达到一个较小的值，估算位置在实际位置附近小范围波动，证明了滑模观测器具有很好的鲁棒性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于新型滑模观测器法的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制，其特征在于，包含以下具体步骤：
步骤1：检测磁通切换型永磁直线电机的三相电流ia、ib、ic，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ，检测电源电压及占空比Sa、Sb、Sc，再经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下的电压uα和uβ；
步骤2：根据步骤1中得到的电流和电压信号，通过滑模观测器估计出静止坐标系下的反电势eα和eβ，进而通过锁相环估算得到电机的速度和位置；
步骤3：电机无位置传感器控制下调速运行，矢量控制通过参考速度与估计速度作差，经PI控制器得到iq的参考值iq *，而id的参考值id *设为零，即采用id＝0控制策略。对两相旋转坐标系下电流的参考值与反馈值作差，经过PI控制器得到给定电压ud和uq，再经坐标变化得到静止坐标系下的给定电压uα和uβ，然后通过SVPWM模块得到占空比控制逆变器，从而控制LFSPM电机。
2.根据权利要求1所述的基于新型滑模观测器法的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制，其特征在于：所述步骤2中，新型滑模观测器中引入变量Zeq和l，重新建立LFSPM电机的数学模型，其中Zeq是估算反电势滤除高频噪声后的等效控制量，l为等效控制量Zeq的反馈增益，具体如下电机的数学模型重建为：
Figure FSA0000193832030000012
式中R、LDC分别为定子电阻和电感直流分量，ωc为低通滤波器的截止频率。
3.根据权利要求2所述的基于新型滑模观测器法的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制，其特征在于：还包括：新型滑模观测器通过Sigmoid函数代替开关函数以减小***抖振，可表示为：
Figure FSA0000193832030000013
Figure FSA0000193832030000014
其中kω为滑模增益，a为Sigmoid中的可调参数。
4.根据权利要求3所述的基于新型滑模观测器法的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制，其特征在于：采用反馈增益扩展电机滑模无位置控制的速度范围，而反馈增益若为恒定值则会降低电机中高速运行时的估算精度，因此反馈增益值可设计为：
l＝v-1
其中，v代表电机速度，而在实际运行中为估算得到的速度大小。
滑模增益和等效控制量可表示为：
Figure FSA0000193832030000021
Figure FSA0000193832030000022
式中τs为电机的定子极距，ψm为电机的磁链值，ωe和θe分别为电机的角速度和位置角。
5.根据权利要求3所述的基于新型滑模观测器法的磁通切换型永磁直线电机无位置传感器控制，其特征在于：还包括：新型滑模观测器中采用锁相环代替传统的反正切函数估算电机位置和速度；通过观测器得到的等效控制量Zeq再经过锁相环得到估算的速度与位置角。
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