CN113315430A - 无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法 - Google Patents

无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法 Download PDF

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CN113315430A CN202110613120.9A CN202110613120A CN113315430A CN 113315430 A CN113315430 A CN 113315430A CN 202110613120 A CN202110613120 A CN 202110613120A CN 113315430 A CN113315430 A CN 113315430A
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Abstract

本发明公开了一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法，涉及电机控制技术领域。本发明包括如下步骤：根据电机在α‑β两相静止坐标系下的数学模型，设计滑模观测器，输出转子位置角和转速，减少位置传感器灵敏度降低对电机运行的影响；根据电机在d‑q同步旋转坐标系下的数学模型，设计滑模速度控制器代替传统PI速度控制器，加快电机响应速度，抑制负载扰动和外部扰动对电机调速***的影响，提高电机的动态性能和抗负载扰动能力，提高永磁同步电机的运行可靠性。

Description

无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体是一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法。
背景技术
随着永磁同步电机在军事、工业等领域的广泛应用，在电动汽车、船舰推进、航空航天等一些可靠性要求较高的场合，稳定可靠的电机驱动***尤为重要。电机在运行过程中，会经常受到负载扰动和外部扰动；由于电机运行时振动等因素，位置传感器灵敏度也会下降，导致电机运行可靠性降低。针对这一问题，本发明提出了一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法，以解决电机在运行中位置传感器灵敏度降低、易受到负载扰动和外部扰动的问题。
本发明提供的无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一、根据六相永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的数学模型设计出滑模观测器。滑模观测器具体设计方法如下：
定义滑模观测器的滑模面为：
Figure BDA0003096410170000011
其中，Iα、Iβ是永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的电流，
Figure BDA0003096410170000012
是Iα的观测值，
Figure BDA0003096410170000013
是Iβ的观测值；
滑模观测器对电机反电动势的观测值为：
Figure BDA0003096410170000014
其中，
Figure BDA0003096410170000015
是电机反电动势在α轴分量的观测值,
Figure BDA0003096410170000016
是电机反电动势在β轴分量的观测值，sgn()为符号函数，k为滑模增益，且k>0；
滑模观测器输出的电机转子位置角θ和转速ωm为：
Figure BDA0003096410170000021
其中，ψf为永磁体磁链。
步骤二、根据六相永磁同步电机的电压方程和运动方程设计滑模速度控制器。滑模速度控制器具体设计方法如下：
定义永磁同步电机状态变量为：
Figure BDA0003096410170000022
其中，ωref为电机给定转速，ωm为电机实际转速；
定义滑模速度控制器滑模面为：
s＝cx1+x2
其中，c为滑模面参数，且c>0；
滑模速度控制器的输出交轴给定电流
Figure BDA0003096410170000023
为：
Figure BDA0003096410170000024
其中，p为电机极对数，ψf为永磁体磁链，sgn()为符号函数，系数k1、k2均为常数，且k1>0，k2>0。
本发明具有以下有益效果：
1、设计滑模观测器代替位置传感器，减少电机运行中因位置传感器灵敏度降低对电机运行可靠性的影响。
2、采用滑模速度控制器代替PI速度控制器，可以提高电机响应速度，抑制负载扰动和外部扰动对电机调速***的影响，提高电机抗负载扰动能力，具有优良的动态性能；降低转矩脉动，保证电机平稳运行，提高***的运行可靠性。
附图说明
图1为实现无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法的控制***框图。
图2为六相永磁同步电机在给定转速500r/min，正常启动运行时转子位置角实际值与估计值的波形图。图中，实线表示实际角度，虚线表示滑模观测器估计角度。
图3为六相永磁同步电机在给定转速500r/min时转速响应仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
图1为实现无位置传感器的永磁同步电机滑模控制方法的控制***框图。图 1中，滑模观测器模块输入电机的六相电压和六相电流，输出转子位置角θ和机械角速度ωm；Clarke变换模块输入六相永磁同步电机的六相电流Ia、Ib、Ic、Ix、 Iy和Iz，输出两相静止坐标系下的电流Iα、Iβ；Iβ、Iβ与电机转子位置角θ经过Park 变换模块得到同步旋转坐标系下电流Id、Iq；滑模速度控制器模块输入电机给定角速度ωref和观测角速度ωm，输出q轴给定电流
Figure BDA0003096410170000031
d轴电流PI控制器输入d 轴给定电流
Figure BDA0003096410170000032
和实际d轴电流Id，输出d轴给定电压
Figure BDA0003096410170000033
q轴电流PI控制器输入 q轴给定电流
Figure BDA0003096410170000034
和实际q轴电流Iq，输出q轴给定电压
Figure BDA0003096410170000035
Figure BDA0003096410170000036
和电机转子位置角θ经过Park逆变换模块得到两相静止坐标系下的给定电压
Figure BDA0003096410170000037
经过SVPWM(即空间矢量脉宽调制)模块，输出脉冲信号到六相逆变器；六相逆变器输出六相交流电压，驱动永磁同步电机运转。
在本发明中，无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法包括如下步骤：
步骤一、根据六相永磁同步电机在α--β两相静止坐标系下的数学模型设计滑模观测器，输出转子位置角和转速。六相永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0003096410170000038
其中，Uα、Uβ是α-β轴电压；Iα、Iβ是α-β轴电流；Ls是定子电感；eα、eβ是反电动势在α-β轴的分量，其表达式为：-
Figure BDA0003096410170000039
其中，ωe电机转子电角速度；ψf是转子永磁体磁链。
将式(1)的电压方程改写为电流的状态方程：
Figure BDA0003096410170000041
根据式(3),设计六相永磁同步电机在α-β坐标系下的滑模观测器为：
Figure BDA0003096410170000042
其中，
Figure BDA0003096410170000043
是α-β轴电流的观测值，
Figure BDA0003096410170000044
是α-β轴反电动势的观测值。
定义滑模面
Figure BDA0003096410170000045
选取滑模控制理论中的等速趋近率，其表达式为：
Figure BDA0003096410170000046
由式(1)(3)(4)(5)可得电机反电动势的观测值：
Figure BDA0003096410170000047
其中，k为滑模增益，且k>0；
由式(2)(6)，得到电机转子位置角和转速：
Figure BDA0003096410170000048
步骤二、根据永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型设计滑模速度控制器，代替PI速度控制器，忽略电机铁心涡流和磁滞损耗等影响，建立六相永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型，电压方程为：
Figure BDA0003096410170000049
运动方程为：
Figure BDA00030964101700000410
电磁转矩方程为：
Figure BDA0003096410170000051
式(8)(9)(10)中，Ud、Uq是d-q轴电压；Id、Iq是d-q轴电流；Ld、Lq是d-q轴电感；TL是负载转矩；Te是电磁转矩；R是定子电阻；p是电机极对数；ωm是电机转子机械角速度；ωe是电机转子电角速度；ψf是转子永磁体磁链；J是电机转动惯量；B是阻尼系数。
采用Id＝0的磁场定向矢量控制，式(8)电压方程可表示为：
Figure BDA0003096410170000052
式(9)运动方程可表示为：
Figure BDA0003096410170000053
定义永磁同步电机状态变量为：
Figure BDA0003096410170000054
其中，ωref为电机给定转速，ωm为电机实际转速；
定义滑模速度控制器滑模面为：
s＝cx1+x2 (14)
其中，c为滑模面参数，且c>0；
选取滑模控制理论中的指数趋近率，其表达式为：
Figure BDA0003096410170000055
其中sgn()为符号函数，系数k1、k2均为常数，且k1>0，k2>0。
结合式(11)(12)(13)(14)(15)，得到滑模速度控制器的输出交轴给定电流
Figure BDA0003096410170000056
为：
Figure BDA0003096410170000057
图2为六相永磁同步电机在给定转速500r/min，正常启动运行时转子位置角实际值与估计值的波形图，实线表示实际角度，虚线表示滑模观测器估计角度。本发明中电机额定转速为500rad/min,电机带载启动，负载转矩为20N·m；在 0.2s时负载转矩突增到30N·m；在0.4s时负载转矩突减到10N·m。从图中可以看出，滑模观测器能够在额定转速下精确的跟踪转子位置信号；在负载转矩发生波动时也能够精确跟踪转子位置信号，提高了电机运行的可靠性。
图3为基于滑模速度控制器的六相永磁同步电机转速响应仿真结果。本发明中电机额定转速为500rad/min,电机带载启动，负载转矩为20N·m；在0.2s时负载转矩突增到30N·m；在0.4s时负载转矩突减到10N·m。从图2中可以看出，电机转速N跟踪效果良好，可以快速到达额定转速；电机转速到达额定转速后，在负载转矩发生波动时，转速波形保持平稳，说明***具有良好的动态性能和静态性能。
应理解上述施例仅用于说明本发明的原理及其功效，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 (3)

1.一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，根据电机在α-β两相静止坐标系下的数学模型，设计滑模观测器代替位置传感器，输出转子位置角和转速，减少位置传感器灵敏度降低对电机运行的影响；根据电机在d-q同步旋转坐标系下的数学模型，设计滑模速度控制器代替传统PI速度控制器，提高电机的动态性能和抗负载扰动能力。
2.如权利要求1所述的一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，设计滑模观测器的具体方法为：
定义滑模观测器的滑模面为：
Figure FDA0003096410160000011
其中，Iα、Iβ是永磁同步电机在α-β两相静止坐标系下的电流，
Figure FDA0003096410160000012
是Iα的观测值，
Figure FDA0003096410160000013
是Iβ的观测值；
滑模观测器对电机反电动势的观测值为：
Figure FDA0003096410160000014
其中，
Figure FDA0003096410160000015
是对电机反电动势在α轴分量的观测值，
Figure FDA0003096410160000016
是对电机反电动势在β轴分量的观测值，sgn()为符号函数，k为滑模增益，且k＞0；
滑模观测器输出的电机转子位置角θ和转速ωm为：
Figure FDA0003096410160000017
其中，ψf为永磁体磁链。
3.如权利要求1所述的一种无位置传感器的六相永磁同步电机滑模控制方法，其特征在于，设计滑模速度控制器的具体方法为：
定义永磁同步电机状态变量为：
Figure FDA0003096410160000018
其中，ωref为电机给定转速，ωm为电机实际转速；
定义滑模速度控制器滑模面为：
s＝cx1+x2
其中，c为滑模面参数，且c＞0；
滑模速度控制器的输出交轴给定电流
Figure FDA0003096410160000021
为：
Figure FDA0003096410160000022
其中，p为电机极对数，ψf为永磁体磁链，sgn()为符号函数，系数k1、k2均为常数，且k1＞0，k2＞0。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114024476A (zh) * 2021-11-29 2022-02-08 哈尔滨理工大学 六相永磁同步电机新型滑模控制方法

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