基于转速自适应滑模观测器的无传感器电机控制方法技术

公开了一种基于转速自适应滑模观测器的无传感器控制方法，滑模观测器根据输入的两相静止坐标系下的电压、电流得到两相静止坐标系下的扩展反电动势，在扩展反电动势等效控制量基础上构造了位置观测器，基于李雅普诺夫稳定性分析，推导出了转速自适应观测律用于速度的反馈，位置观测器的信号经过一个锁相环后输出估计的位置，用于坐标变换。整个过程中没有滤波器的使用，避免了由于采用滤波器带来的相位的滞后和系统的不稳定性。本发明专利技术的位置观测器结合转速自适应律，消除了观测量中的抖振信号，提高了转子位置、转速的观测精度，也进一步提高了系统的稳定性。

Sensorless motor control method based on speed adaptive sliding mode observer

A sensorless control method based on speed adaptive sliding mode observer is presented. The sliding mode observer obtains the extended back EMF in two-phase stationary coordinate system according to the voltage and current of the input two-phase stationary coordinate system. The position observer is constructed on the basis of the equivalent control variable of the extended back EMF. Based on the stability analysis, the speed adaptive observing law is deduced for speed feedback. The position observer outputs the estimated position after passing through a phase locked loop for coordinate transformation. There is no filter in the whole process, which avoids the phase lag and system instability caused by the filter. The position observer of the invention combines the speed adaptive law, eliminates the chattering signal in the observation quantity, improves the observation precision of the rotor position and speed, and further improves the stability of the system.

【技术实现步骤摘要】
基于转速自适应滑模观测器的无传感器电机控制方法
本专利技术涉及电机控制领域，更具体的说，它涉及基于转速自适应滑模观测器的无传感器电机控制方法。
技术介绍
近年来，内置式永磁同步电机因具有结构简单、效率高、功率密度高等优点而获得了广泛应用。内置式永磁同步电机的高性能控制需要转子位置和速度信息的反馈，但机械传感器的安装会增加系统成本、体积，还会降低系统的可靠性。无位置/速度传感器控制通过检测绕组中的电流信号，通过一定的控制算法获得转子位置和速度，成为电机控制系统研究的热点。目前，根据实现原理的不同，永磁同步电机的无传感器算法可以分为基波模型和凸极模型。凸极模型需要额外激励信号，由于电机转子的凸极效应，在产生的响应信号中含有转子位置信息，主要应用永磁同步电机的低速区域。基波模型是根据电机运行时的电压电流方程，计算或观测含有转子位置信息的量，主要有：开环反电动势法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、滑模观测器法等，主要在永磁同步电机的中高速区域。但是现有的方法中：开环反电势法依赖电机的模型，出现外界扰动时很容易造成检测结果的错误。模型参考自适应法同样依赖电机的模型，由于电机运行期间定子相电阻和交直轴电感都会发生变化，会使得检测的位置与转速与实际存在一定的偏差。扩展卡尔曼滤波法，能够适应环境自动调节，可以在很大的速度范围内工作，甚至在很低的速度下完成转速和位置估计，但是需要大量的运算，参数的整定也很复杂，限制了其应用。其中滑模观测器对电机参数及外界扰动不敏感，容易实现，动态性能好等优点得到广泛的应用。传统的滑模观测器用符号函数作为切换函数，实际的控制量中存在固有的抖振信号，而采用低通滤波器并不能完全消除高频信号，还会带来相位的延迟。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，解决了位置和转速观测信号中存在抖振问题，提高位置、转速的估计精度和系统的稳定性的基于转速自适应滑模观测器的无传感器电机控制方法。本专利技术的技术方案如下：基于转速自适应滑模观测器的无传感器控制方法，包括滑模观测器，反电势观测器和锁相环，反电势观测器从滑模观测器输出信号中提取出反电势信号中的等效量Vα和Vβ，并根据以下公式提取出低频信号：其中为转子的电角速度的估计值；和为等效量Vα和Vβ的导数；根据公式(1)得到反电势观测器必须满足如下公式：其中和是Vα和Vβ估计值，和为反电势估计值和实际值之间的误差值,l是一个正的常数；和为和的导数；反电势观测器将和估计值传输给锁相环，锁相环根据从中提取出反动势中的位置信号进行锁相。进一步的，滑模观测器需满足以下公式：其中和为两相估计电流，Vα和Vβ为两相电压，其中为其中Rs为定子电阻；为转子的电角速度的估计值，Ld和Lq分别为交直轴电感，反电势由电流的误差重构，因此Vα和Vβ满足如下公式其中k为滑模控制的增益，sgn()为符号函数，和分别为等效量Vα和Vβ的估计电流和实际电流的误差。进一步的，转子的电角速度符合如下公式：其中F为李雅普诺夫函数，其导数小于零时为稳定状态，其中ωe为转子的实际电角速度，T为转置符号，从而得到其中a＝(Ld-Lq)/Ld。进一步的，还包括转速调节器、电流调节器、SVPWM脉宽调制、CLARK变换、PARK变换；转速调节器采用的是比例-积分调节器；电流调节器采用的是比例-积分调节器，d、q轴分别拥有一个比例-积分调节器，同时在d、q轴之间还有反电势的交叉解耦；SVPWM脉宽调制采用的是空间电压矢量脉宽调制；CLARK变换是将定子三相电流变换到静止的α-β坐标轴上；PARK变换是静止坐标系α-β轴上两相电压或电流与同步旋转坐标系d-q坐标轴上的对应的电压或电流之间的转换。本专利技术相比现有技术优点在于：本专利技术通过滑膜观测器得到扩展反电动势的等效控制量，通过反电势观测器得到扩展反电动势的的估计量，通过转速自适应律保证整个系统的稳定性并准确的得到观测的转速，估计的扩展反电动势通过锁相环后得到观测的位置，所观测的位置与转速信号中的高频分量被消除，提高了位置和转速的观测精度，提高了整个控制系统的稳定性。附图说明图1为本专利技术的整个控制系统的一种结构示意图；图2为本专利技术转速自适应滑膜观测器的结构示意图；图3为本专利技术的锁相环的结构示意图；图4为传统转子位置图；图5为传统估计转速图；图6为传统估计α轴反电动势图；图7为本专利技术的转子位置图；图8为本专利技术的估计转速图；图9为本专利技术的估计α轴反电动势图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步说明。如图1至图3所示，基于转速自适应滑模观测器的无传感器控制方法，包括滑模观测器，反电势观测器和锁相环，根据输入的两相静止坐标系下的电压、电流得到两相静止坐标系下的扩展反电动势，在扩展反电动势等效控制量基础上构造反电势观测器，基于李雅普诺夫稳定性从而得到速度的反馈，估计出扩展反电动势经过一个锁相环后输出估计的位置，用于坐标变换。其中，反电势观测器从滑模观测器输出信号中提取出反电势信号中的等效量Vα和Vβ，并根据以下公式提取出低频信号：其中为转子的电角速度的估计值；和为等效量Vα和Vβ的导数；根据公式(1)得到反电势观测器必须满足如下公式：其中和是Vα和Vβ估计值，和为反电势估计值和实际值之间的误差值,l是一个正的常数；和为和的导数；反电势观测器将和估计值传输给锁相环，从中消除了传统的滑模观测器用符号函数作为切换函数，实际的控制量中存在固有的抖振信号的问题。锁相环根据从中提取出反动势中的位置信号进行锁相，使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。其中滑模观测器需满足以下公式：其中和为两相估计电流，Vα和Vβ为两相电压，其中为其中Rs为定子电阻；为转子的电角速度的估计值，Ld和Lq分别为交直轴电感，反电势由电流的误差重构，因此Vα和Vβ满足如下公式其中k为滑模控制的增益，sgn()为阶跃函数，和分别为等效量Vα和Vβ的估计电流和实际电流的误差。转子的电角速度符合如下公式：其中F为李雅普诺夫函数，其导数小于零时为稳定状态，其中ωe为转子的实际电角速度，T为转置符号，从而得到转速自适应律其中a＝(Ld-Lq)/Ld。作为优选，还包括转速调节器、电流调节器、SVPWM脉宽调制、CLARK变换、PARK变换；转速调节器采用的是比例-积分调节器；电流调节器采用的是比例-积分调节器，d、q轴分别拥有一个比例-积分调节器，同时在d、q轴之间还有反电势的交叉解耦；SVPWM脉宽调制采用的是空间电压矢量脉宽调制；CLARK变换是将定子三相电流变换到静止的α-β坐标轴上；PARK变换是静止坐标系α-β轴上两相电压或电流与同步旋转坐标系d-q坐标轴上的对应的电压或电流之间的转换。如图4至图6所示为传统滑模观测器在30r/min时的实验波形图，图4从上到下依次为转子实际位置，转子估计位置和位置误差。图5为估计转速。图6为估计α轴反电动势。从图4至图6中可以看出在极低转速时传统滑模观测的估计位置信号几乎不能跟随实际的位置信号，位置误差很大，实际转速的误差达到了100r/min左右。反电势正弦性很差。如图7至图9所示为本方案所提出的方法在30r/min时的实验波形图，图7从上到下依次为转子实际位置，转子估计位置和位置误差。图8为估计转速。图9为估计α轴反电动势。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于转速自适应滑模观测器的无传感器控制方法，其特征在于，包括滑模观测器，反电势观测器和锁相环，反电势观测器从滑模观测器输出信号中提取出反电势信号中的等效量Vα和Vβ，并根据以下公式提取出低频信号：

【技术特征摘要】
1.基于转速自适应滑模观测器的无传感器控制方法，其特征在于，包括滑模观测器，反电势观测器和锁相环，反电势观测器从滑模观测器输出信号中提取出反电势信号中的等效量Vα和Vβ，并根据以下公式提取出低频信号：其中为转子的电角速度的估计值；和为等效量Vα和Vβ的导数；根据公式(1)得到反电势观测器必须满足如下公式：其中和是Vα和Vβ估计值，和为反电势估计值和实际值之间的误差值,l是一个正的常数；和为和的导数；反电势观测器将和估计值传输给锁相环，锁相环根据从中提取出反动势中的位置信号进行锁相。2.根据权利要求1所述的基于转速自适应滑模观测器的无传感器电机控制方法，其特征在于：滑模观测器需满足以下公式：其中和为两相估计电流，Vα和Vβ为两相电压，其中为其中Rs为定子电阻；为转子的电角速度的估计值，Ld和Lq分别为交直轴电感，反电势由电流的误差重构，因此Vα和Vβ满足如下公式其中k为滑模控制的增益，sgn()为符号函数，和分...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓艳，尤朝杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33