基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法技术

本发明专利技术公开了基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法，根据实时检测到的定子电压和定子电流，构造了一种新型模型参考自适应观测器对转速进行估计。该类新型观测器的特征在于通过对传统模型参考自适应观测器中纯积分器进行改进以及引入定子磁链观测误差的PI校正环节，解决了观测器中纯积分环节所带来的直流偏置和误差积累问题。同时，针对系统不能在较大的速度范围内实现转速检测问题，设计了一种模糊变结构自适应律。本发明专利技术的永磁同步电机状态估计方法即使在存在直流偏置和误差积累的情况下仍具有较好的估计性能，提高了对转子位置和速度的动态追踪性能和估计精度。

State estimation of permanent magnet synchronous motor based on fuzzy variable structure model reference adaptive observer

The invention discloses a state estimation method of permanent magnet synchronous motor based on fuzzy variable structure model reference adaptive observer. According to the real-time detected stator voltage and stator current, a new model reference adaptive observer is constructed to estimate the rotational speed. The characteristics of this new type of observer are that the DC bias and error accumulation caused by the pure integration of the observer are solved by improving the pure integrator in the traditional model reference adaptive observer and introducing the PI correction of stator flux observation error. At the same time, a fuzzy variable structure adaptive law is designed to solve the problem that the system can not detect the rotational speed in a large speed range. The state estimation method of the permanent magnet synchronous motor has good estimation performance even in the presence of DC bias and error accumulation, and improves the dynamic tracking performance and estimation accuracy of rotor position and speed.

【技术实现步骤摘要】
基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法
本专利技术属于永磁同步电机无位置传感器控制领域,尤其涉及一种基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法。
技术介绍
近几十年来，永磁同步电动机以其体积小、效率高、功率密度大、动态性能好等优点在高性能伺服系统中获得了广泛的应用。对于永磁同步电机的矢量控制而言，获得准确的位置和速度信息十分关键。转子的位置和速度可以通过在转子转轴上安装机械传感器例如光电编码器来检测，但这些传感器不仅增加了成本而且降低了系统的可靠性，同时限制了永磁同步电机的应用范围。因此，研究永磁同步电机无传感器技术具有重要的理论和实用价值。经过国内外学者多年的研究和总结，无传感器控制主要形成了以下几种被广为认可的方法：利用PMSM基本电磁关系估算位置和转速，这种方法计算简单，动态响应快，然而它对电机参数特别敏感，且电机转速较低时估计不准确，不能用于要求电机正反转的场合；基于观测器的PMSM转子位置和速度估计方法，但是这种方法算法复杂，计算量大，同时某些基于观测器的估计方法需要用到许多随机误差的统计参数，模型复杂，涉及因素较多，使得分析这些参数的工作比较困难；高频注入的方法，通过给电机注入高频电压，并检测其相应的电流来获取转子的位置和转速。该方法虽然可以应用于较宽的速度范围且低速时也可得到较好的估算结果，但是高频信号的注入会带来高频噪声，且需要特殊的硬件电路，只适用于内埋式电机；利用永磁电机凸极效应来估算转子位置和速度的方法。利用检测到的电压和电流值，计算出在这个位置时的电感，并与预先制定的表格中的电感值相比较，进而确定转子位置。由于暂态和低速时不容易准确地测量定子电压，计算得到的电感值也会有偏差。模型参考自适应法，常利用电机的磁链模型或电流模型计算参考模型与可调模型的差值，通过PI调节器自适应调节电机转速，结构简单，易于实现，可以很好辨识出电机中高速时的电机转子位置和速度，但传统模型参考自适应观测器在磁链观测的纯积分环节带来误差累计和直流偏置问题严重影响了估算精度，这种情况在低速时特别明显。
技术实现思路
为解决传统模型参考自适应观测器所存在的问题，本专利技术提出一种能够有效解决传统模型参考自适应观测器中存在的误差累计和直流偏置问题，提高对永磁同步电机转子位置和速度的动态追踪性能和估计精度的估计方法。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法，该方法包括以下步骤：步骤1，构造新型模型参考自适应观测器，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，包括：检测电机的三相绕组电流ia、ib、ic，通过CLARK变换得到定子电流在两相静止坐标系下α、β轴的分量iα、iβ，根据定子电流在α、β轴的分量iα、iβ，定子电流估计值在α、β轴的分量以及定子电压在α、β轴的分量uα、uβ构造一种新型模型参考自适应观测器，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，得到系统误差e；步骤2，对磁链观测得到的系统误差e经模糊变结构自适应律环节的处理提取出转子位置和速度进一步，所述步骤1中构造新型模型参考自适应观测器的方法为：构建电压模型和电流模型并且引入高通滤波环节，将获得的电压模型的磁链值与电流模型的磁链值进行比较而获得的一个误差值，将误差值输入PI调节器进行误差校正，再反馈进入电压模型。进一步，构造永磁同步电机在α-β静止坐标系下的电压方程为：永磁同步电机在α-β静止坐标系下，基于电压模型的定子磁链方程：永磁同步电机在α-β静止坐标系下，基于电流模型的定子磁链方程：其中，iα、iβ分别为定子电流的α、β分量，uα、uβ分别为定子电压的α、β分量，Lα、Lβ分别为电感的α、β分量，Rs、Ls分别为定子电阻和电感，ωr为转子角速度，θr为转子磁链矢量与定子电压A相的夹角，ψf为定子磁链。进一步，所述步骤2中利用模糊变结构模型参考自适应观测器中提取出转子位置和速度具体包括以下步骤：步骤2.1，选取永磁电机电压模型作为参考模型，选取永磁电机电流模型作为可调模型，利用两模型输出的磁链观测的系统磁链观测误差e构造了一个滑模面s；步骤2.2，设计Lyapunov函数确保滑模稳定运行需使获得滑模增益为：其中，Rs、Ls是定子电阻和电感，Kp、Ki分别是比例积分系数，ks为滑模增益，ωr为转子电角速度，sgn(s)为符号函数，e为系统误差，A、B为常数，s为滑模面，为s的导数，为V的导数；步骤2.3，通过模糊控制来实时调节ks的值，使其时刻满足步骤2.2的的取值范围。其中：ε是模糊控制器的输出量，ε≥0且大小可调，当系统达到稳定状态e＝0时，使得ε＝0，C是调节器的输出量。进一步，滑模面构造方法为：采用积分滑模控制，进一步，模糊控制器设计：选择e和e的变化率ec为输入变量，通过模糊控制输出ε，取ε论域为[0,10]，输入变量e和ec的隶属函数类型为高斯型，输出变量ε的隶属函数类型为三角形。本专利技术的有益效果：本专利技术所提出永磁同步电机状态估计方法通过对模型参考自适应观测器中纯积分器进行改进以及引入定子磁链观测误差的PI校正环节，解决了观测器中纯积分环节所带来的直流偏置和误差积累问题。同时，设计了一种模糊变结构自适应律，解决了系统不能在较大的速度范围内实现转速检测问题，提高了对转子位置和速度的动态追踪性能和估计精度。附图说明图1是基于模糊变结构模型参考自适应观测器的转速辨识框图；图2是永磁同步电机的矢量控制框图；图3是模糊控制规则；图4是模糊控制的输入输出关系图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1、2所示，基于模糊变结构模型参考自适应观测器的转速辨识框图，通过：步骤1，构造新型模型参考自适应观测器，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，包括：检测电机的三相绕组电流ia、ib、ic，通过CLARK变换得到定子电流在两相静止坐标系下α、β轴的分量iα、iβ，根据定子电流在α、β轴的分量iα、iβ，定子电流估计值在α、β轴的分量以及定子电压在α、β轴的分量uα、uβ构造一种新型模型参考自适应观测器，构建电压模型和电流模型并且引入高通滤波环节，将获得的电压模型的磁链值与电流模型的磁链值进行比较而获得的一个误差值，将误差值输入PI调节器进行误差校正，再反馈进入电压模型，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，得到系统误差e；步骤2，对磁链观测得到的系统误差e经模糊变结构自适应律环节的处理提取出转子位置和速度永磁同步电机在α-β静止坐标系下的电压方程为：永磁同步电机在α-β静止坐标系下，基于电压模型的定子磁链方程：永磁同步电机在α-β静止坐标系下，基于电流模型的定子磁链方程：θr＝∫ωrdt(4)其中：iα、iβ分别为定子电流的α、β分量，uα、uβ分别为定子电压的α、β分量，Lα、Lβ分别为电感的α、β分量，Rs、Ls分别为定子电阻和电感，ωr为转子角速度，θr为转子磁链矢量与定子电压A相的夹角。本专利技术在基于定子磁链的模型参考自适应MRAS中，根据MRAS的设计思路，将电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构造新型模型参考自适应观测器，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，包括：检测电机的三相绕组电流ia、ib、ic，通过CLARK变换得到定子电流在两相静止坐标系下α、β轴的分量iα、iβ，根据定子电流在α、β轴的分量iα、iβ，定子电流估计值在α、β轴的分量

【技术特征摘要】
1.基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构造新型模型参考自适应观测器，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，包括：检测电机的三相绕组电流ia、ib、ic，通过CLARK变换得到定子电流在两相静止坐标系下α、β轴的分量iα、iβ，根据定子电流在α、β轴的分量iα、iβ，定子电流估计值在α、β轴的分量以及定子电压在α、β轴的分量uα、uβ构造一种新型模型参考自适应观测器，利用所构造的新型模型参考自适应观测器进行磁链观测，得到系统误差e；步骤2，对磁链观测得到的系统误差e经模糊变结构自适应律环节的处理提取出转子位置和速度2.根据权利要求1所述的基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法，其特征在于，所述步骤1中构造新型模型参考自适应观测器的方法为：构建电压模型和电流模型并且引入高通滤波环节，将获得的电压模型的磁链值与电流模型的磁链值进行比较而获得的一个误差值，将误差值输入PI调节器进行误差校正，再反馈进入电压模型。3.根据权利要求2所述的基于模糊变结构模型参考自适应观测器的永磁同步电机状态估计方法，其特征在于，构造永磁同步电机在α-β静止坐标系下的电压方程为：永磁同步电机在α-β静止坐标系下，基于电压模型的定子磁链方程：永磁同步电机在α-β静止坐标系下，基于电流模型的定子磁链方程：其中，iα、iβ分别为定子电流的α、β分量，uα、uβ分别为定子电压的α、β分量，Lα、Lβ分别为电感的α、β分量，Rs、Ls分别为定子电阻和电感，ωr为转子角速度，θr为转子磁链矢量与定子电压A相的夹角，ψf为定子磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：许波，许健，姬伟，沈晓康，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32