CN113300645A - 改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法，具体步骤包括：忽略涡流和磁滞损耗建立表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型，基于超螺旋算法构建超螺旋滑模观测器从而进行永磁同步电机的无位置传感器控制；对超螺旋滑模观测器进行改进，针对滑模增益固定导致***鲁棒性差的问题设计模糊规则，对超螺旋滑模观测器的滑模增益进行整定从而获得改进的超螺旋滑模观测器完成电机控制***的无位置传感器控制；由改进后的超螺旋滑模观测器获得等效反电动势，对等效反电动势进行处理滤除高次谐波，将处理后的反电动势信号用来估算永磁同步电机控制***的位置和速度信息，基于获取的位置和速度信息进行永磁同步电机的无传感器控制。

Description

改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机因其高功率密度，结构简单，易于调速而被广泛应用于各种工控领域。为减少成本，提高控制稳定性，众多学者聚焦于无传感器控制方法的研究中。永磁同步电机无位置传感器控制技术通过算法处理得到电机的位置和转速信息从而取代机械传感器，极大降低了成本，目前还未广泛应用于电机控制领域。无位置传感器控制技术的代表方法有高频信号注入法、卡尔曼滤波法、模型参考自适应法和滑模观测器法。其中滑模观测器法是一种基于变结构理论设计的非线性观测器，通过建立一个滑模面，构造切换函数使***状态趋近滑模面最终达到稳定的效果。对***内部参数摄动与外部扰动具有良好的鲁棒性和动态性能，同时具有较高的稳态控制性能。传统滑模观测法的无传感器控制技术利用滑模电流观测器得到估计电流值，将估计电流值与实际电流值做差后送入控制函数得到反电动势信息，进而提取其中的位置信息。已有技术中，文献1采用饱和函数代替符号函数的准滑模观测器，即在边界层内采用线性控制，边界层外采用滑模控制，对抖振现象有一定的削弱。文献2采用迭代滑模观测器的方法，在一个计算周期内进行若干次滑模观测器迭代，从而减小了每次迭代增益，有效的削弱了抖振，但实现相对复杂。文献3提出了一种基于超螺旋滑模观测器的永磁同步发电机无传感器转矩控制方法，采用的高阶滑模控制理论相比于传统方法控制效果有明显改善。

由于滑模控制本质上是一种不连续的控制方式，运动点难以在滑模面上光滑地趋近稳定点，往往进入滑模区后在滑模面上进行穿梭运动，造成抖振。作为滑模控制的固有特性，抖振现象不能彻底消除，应用于永磁同步电机无传感器控制领域中，抖振现象的存在影响观测器的精度，且传统滑模控制中固定滑模增益问题会导致鲁棒性下降，最终对整个电机控制***造成影响

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法，具体包括如下步骤：

忽略涡流和磁滞损耗建立表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型，基于超螺旋算法构建超螺旋滑模观测器从而进行永磁同步电机的无位置传感器控制；

对超螺旋滑模观测器进行改进，针对滑模增益固定导致***鲁棒性差的问题设计模糊规则，对超螺旋滑模观测器的滑模增益进行整定从而获得改进的超螺旋滑模观测器完成电机控制***的无位置传感器控制；

由改进后的超螺旋滑模观测器获得等效反电动势，对等效反电动势进行处理滤除高次谐波，将处理后的反电动势信号用来估算永磁同步电机控制***的位置和速度信息，基于获取的位置和速度信息进行永磁同步电机的无传感器控制。

进一步的，基于超螺旋算法构建超螺旋滑模观测器时：

假设表贴式永磁同步电机处在理想状况下，忽略涡流和磁滞损耗，则其在两相静止坐标系下的数学模型为：

式中，i_α,i_β为静止坐标系下电流，u_α,u_β为静止坐标系下电压，e_α,e_β为静止坐标系下感应反电动势，R和L分别为定子电阻和电感；

利用超螺旋算法构建观测器，其具体形式为：

式中，x_i,

k_i,ρ_i分别为状态变量，估计误差，滑模增益和扰动条件；sign()为sign开关函数；

由永磁同步电机两相静止坐标系数学模型和超螺旋滑模观测器结构相结合，构造基于表贴式永磁同步电机的超螺旋滑模观测器为：

式中，

为电流估计值；

为电流估计误差；

当***进入滑模面时，有：

将其带入超螺旋滑模观测器中，获得等效反电动势为：

进一步的，改进的超螺旋滑模观测器采用如下方式获取：

基于超螺旋滑模观测器获得的等效反电动势方程

其中滑模增益k₁决定观测器的动态响应速度，积分项和滑模增益k₂削减由开关函数sign带来的抖振问题；

以k₁为整定目标设计模糊规则进行增益的整定，其基本规则如下：

当观测器观测误差s大于设置阈值时，则增大滑模增益以增加适应速度、减少响应时间；

当观测器观测误差s大于设置阈值时，减小滑模增益从而降低***超调；

设计模糊控制器细化模糊规则，构造输入与输出论域，使模糊控制器输出增益在一定范围内实现自适应，从而改善原有控制器固定增益导致的鲁棒性差特性。

进一步的，估算永磁同步电机控制***的位置和速度信息时：

在超螺旋滑模观测器输出端加一个截止频率为ω_c的低通滤波器，将高次谐波滤除后，获得与实际反电动势相近的连续等效反电动势信号

对反电动势信号做反正切运算得到转子位置和转速的估计值，由于低通滤波器具有相位延迟特性，导致计算的转子位置存在误差，故需要对转子位置估计值进行相位补偿：

将经过补偿后的观测器输出估计值接入永磁同步电机闭环控制***中完成整个无位置传感器控制***的建立。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法，该方法通过采用改进的超螺旋滑模观测器，即将高阶滑模控制理论超螺旋算法与用来整定控制增益的模糊控制技术相结合，以有效的对滑模抖振进行抑制，增强***鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1永磁同步电机无位置传感器矢量控制***结构框图

图2改进的超螺旋滑模观测器结构框图

图3模糊规则表

图4传统滑模观测器转速观测误差

图5传统滑模观测器位置观测误差

图6改进超螺旋滑模观测器转速观测误差

图7改进超螺旋滑模观测器位置观测误差

图8固定滑模增益宽速域调速转速观测误差

图9模糊整定增益宽速域调速转速观测误差

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示的结构框图为采用传统滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其具体步骤包括：

S1：忽略涡流和磁滞损耗，建立表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型。基于超螺旋算法构建滑模观测器模型进行永磁同步电机的无位置传感器控制

S2：对超螺旋滑模观测器进行改进，针对滑模增益固定导致***鲁棒性差的问题，设计模糊规则，对超螺旋滑模观测器的滑模增益进行整定，最终提出改进的超螺旋滑模观测器完成电机控制***的无位置传感器控制；图2为改进的超螺旋滑模观测器结构框图，将其替代图1中的SMO模块，即完成本文改进的超螺旋滑模无位置传感器控制。

S3：对观测器获得的反电动势进行处理，滤除高次谐波，进而将处理过的反电动势信号用来估算出永磁同步电机控制***的位置和速度信息，基于获取的位置和速度信息进行永磁同步电机的无传感器控制。

S1中具体采用如下方式

S11假设表贴式永磁同步电机(PMSM)处在理想状况下，忽略涡流和磁滞损耗，则其在两相静止坐标系下的数学模型可写为：

式中，i_α,i_β为静止坐标系下电流：u_α,u_β为静止坐标系下电压；e_α,e_β为静止坐标系下感应反电动势；R和L分别为定子电阻和电感。

S12利用超螺旋算法构建观测器，其具体形式为：

式中，x_i,

k_i,ρ_i分别为状态变量，估计误差，滑模增益和扰动条件；sign()为sign开关函数。

S13由永磁同步电机两相静止坐标系数学模型和超螺旋滑模观测器结构相结合，构造基于表贴式永磁同步电机的超螺旋滑模观测器可写为：

式中，

为电流估计值；

为电流估计误差。

S14当***进入滑模面时，有：

将其带入超螺旋滑模观测器中，可得等效反电动势为：

S2中具体采用如下方式

S21基于超螺旋滑模观测器获得的等效反电动势方程

其中滑模增益k₁决定观测器的动态响应速度，积分项和滑模增益k₂能够有效削减由开关函数sign带来的抖振问题

S22以k₁为整定目标，设计模糊规则进行增益的整定，其基本规则如下：

(1)当观测器观测误差s较大时，相应地应增大滑模增益以增加适应速度，减少响应时间。

(2)当观测器观测误差s较小时，相应地应减小滑模增益，以降低***超调。

S23基于模糊规则设计模糊控制器将两个输入论域划分为{负大,负小,零,正小,正大}，记为{NB,NS,Z,PS,PB},输出论域划分为{正小,小,正中,大,正大}，记为{PS,S,M,B,PB}。按照理论与经验，当电流误差s与误差变化率s较大时，***处于初始状态或者扰动较大。需要匹配相应较大的滑模增益来快速消除误差和扰动带来的影响。当s和

较小时则需要匹配较小的滑模增益来减小***的超调和波动。当

时，此时***处于加速朝着滑模面运动的状态，应适当减小滑模增益。模糊控制规则表如图3所示。

S3中具体采用如下方式

S31在超螺旋滑模观测器输出端加一个截止频率为ω_c的低通滤波器，将高次谐波滤除后，获得与实际反电动势相近的连续等效反电动势信号

S32对反电动势信号做反正切运算可以得到转子位置和转速的估计值，考虑到低通滤波器具有相位延迟特性，导致计算的转子位置存在误差，故需要对转子位置估计值进行相位补偿：

S33将经过补偿后的观测器输出估计值接入永磁同步电机闭环控制***中完成整个无位置传感器控制***的建立。

基于MATLAB/SIMULINK平台进行仿真验证。如图4，图5所示分别为传统滑模观测器应用于永磁同步电机无位置传感器控制时转速和位置观测误差，***给定转速为1000r/min。

如图6，图7所示分别为改进超螺旋滑模观测器应用于永磁同步电机无位置传感器控制时转速和位置观测误差，***给定转速为1000r/min。

为验证改进后的观测器鲁棒性，进行宽速域调速验证，给定转速由恒定值1000r/min变为800r/min-1000r/min-1200r/min。

如图8所示为固定增益的超螺旋滑模观测器宽速域调速转速观测误差。

图9所示为基于模糊控制整定增益的改进超螺旋滑模观测器宽速域调速转速观测误差。

本发明设计了基于超螺旋滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制***，通过综述了国内外永磁同步电机无位置传感器控制的研究现状，分析了永磁同步电机的数学模型以及双闭环***的工作原理。依据基于id＝0的空间矢量控制技术，构造表贴式永磁同步电机的无位置传感器控制***。通过采用超螺旋滑模算法构建二阶滑模观测器，利用模糊控制的思想按照模糊规则对滑模增益进行整定。以此，针对传统滑模观测器中存在的抖振及鲁棒性差的问题进行改善。仿真结果显示改进的超螺旋滑模观测器与传统滑模观测器相比抖振明显降低，鲁棒性提高。

本方法将超螺旋算法与滑模观测器相结合，应用于永磁同步电机的无位置传感器控制领域。与传统的滑模观测器相比，极大地降低了滑模控制固有的抖振现象，提高了观测器的观测精度。

针对传统滑模控制中选取固定滑模增益导致的鲁棒性差问题。利用模糊控制的思想，基于设计的模糊规则对滑模增益进行整定，有效提升了观测器的鲁棒性。

本研究所采用的改进的超螺旋滑模观测器，极大地降低了观测器的抖振，提高了***的鲁棒性，在对转速与位置信息进行估计中，明显优于传统滑模控制，在永磁同步电机的无位置传感器方面优势明显。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[1]鲁文其，胡育文，杜栩杨，黄文新.永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速***[J].中国电机工程学报，2010，30(33):78-83.

[2]K.L.Kang,J.M.Jim,K.M.Hwang,and K.H.Kim.Sensorless Control of PMSMin High Speed Range with Iterative Sliding Mode Observer[C].19^th Annual IEEEApplied Power Electronics Conference and Exposition,Vol.2,California,22-26February 2004:1111-1116.

[3]GUO L,ZHANG X,YANG S,et al.Super-twisting sliding mode observerbased speed sensorless torque control for PMSG used in wind turbines[C].International Conference on Power Electronics and ECCE Asia.Seoul,Korea:IEEE,2015:2457-2462.

[4]MORENO J A,OSORIO M.A Lyapunov approach to second-order slidingmode controllers and observers[C].2008 47^th IEEE Conference on Decision andControl,2008.

Claims (4)

1.一种改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法，其特征在于包括：

忽略涡流和磁滞损耗建立表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型，基于超螺旋算法构建超螺旋滑模观测器从而进行永磁同步电机的无位置传感器控制；

对超螺旋滑模观测器进行改进，设计模糊规则，对超螺旋滑模观测器的滑模增益进行整定从而获得改进的超螺旋滑模观测器完成电机控制***的无位置传感器控制；

由改进后的超螺旋滑模观测器获得等效反电动势，对等效反电动势进行处理滤除高次谐波，将处理后的反电动势信号用来估算永磁同步电机控制***的位置和速度信息，基于获取的位置和速度信息进行永磁同步电机的无传感器控制。

2.根据权利要求1所述的改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法，其特征在于：基于超螺旋算法构建超螺旋滑模观测器时：

假设表贴式永磁同步电机处在理想状况下，忽略涡流和磁滞损耗，则其在两相静止坐标系下的数学模型为：

式中，i_α,i_β为静止坐标系下电流，u_α,u_β为静止坐标系下电压，e_α,e_β为静止坐标系下感应反电动势，R和L分别为定子电阻和电感；

利用超螺旋算法构建观测器，其具体形式为：

式中，x_i,

k_i,ρ_i分别为状态变量，估计误差，滑模增益和扰动条件；sign()为sign开关函数；

由永磁同步电机两相静止坐标系数学模型和超螺旋滑模观测器结构相结合，构造基于表贴式永磁同步电机的超螺旋滑模观测器为：

式中，

为电流估计值；

为电流估计误差；

当***进入滑模面时，有：

将其带入超螺旋滑模观测器中，获得等效反电动势为：

3.根据权利要求2所述的改进的永磁同步电机超螺旋滑模无位置传感器控制方法，其特征在于：改进的超螺旋滑模观测器采用如下方式获取：

基于超螺旋滑模观测器获得的等效反电动势方程

其中滑模增益k₁决定观测器的动态响应速度，积分项和滑模增益k₂削减由开关函数sign带来的抖振问题；

以k₁为整定目标设计模糊规则进行增益的整定，其基本规则如下：

当观测器观测误差s大于设置阈值时，则增大滑模增益以增加适应速度、减少响应时间；

当观测器观测误差s大于设置阈值时，减小滑模增益从而降低***超调；

设计模糊控制器细化模糊规则，构造输入与输出论域，使模糊控制器输出增益在一定范围内实现自适应，从而改善原有控制器固定增益导致的鲁棒性差特性。

4.根据权利要求3所述的连续反电动势信号的获取以及位置与速度信息的估算，其特征在于：估算永磁同步电机控制***的位置和速度信息时：

在超螺旋滑模观测器输出端加一个截止频率为ω_c的低通滤波器，将高次谐波滤除后，获得与实际反电动势相近的连续等效反电动势信号

对反电动势信号做反正切运算得到转子位置和转速的估计值，由于低通滤波器具有相位延迟特性，导致计算的转子位置存在误差，故需要对转子位置估计值进行相位补偿：

将经过补偿后的观测器输出估计值接入永磁同步电机闭环控制***中完成整个无位置传感器控制***的建立。

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