一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机系统无传感器速度控制方法，包括:建立永磁同步电机系统的数学模型，初始化系统状态及控制参数；设计扩张状态观测器，估计电机的反电动势；基于三角函数，设计锁相环系统，通过估计的反电动势提取电机转子的速度和位置信号，并基于自抗扰设计电机的速度控制器。本发明专利技术能够有效解决永磁同步电机系统的复杂不稳定问题，简化电机硬件设计，实现永磁同步电机系统的无传感器稳定控制。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，包括:建立永磁同步电机系统的数学模型，初始化系统状态及控制参数；设计扩张状态观测器，估计电机的反电动势；基于三角函数，设计锁相环系统，通过估计的反电动势提取电机转子的速度和位置信号，并基于自抗扰设计电机的速度控制器。本专利技术能够有效解决永磁同步电机系统的复杂不稳定问题，简化电机硬件设计，实现永磁同步电机系统的无传感器稳定控制。【专利说明】-种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机系统无传感器 速度控制方法
本专利技术属于永磁同步电机控制
，设及一种基于自抗扰和锁相环技术的永 磁同步电机系统无传感器速度控制方法，特别是对于含有不确定项的永磁同步电机系统的 无传感器速度控制方法。
技术介绍
随着经济和科技的快速发展，永磁同步电机在工业生产中占据着越来越重要的位 置。对于永磁同步电机来说，矢量控制是一种常见的控制策略，矢量控制需要知道电机转子 的速度和位置。传统的方法是使用机械传感器来检测电机的转子速度和位置，但是运种方 法不仅造价昂贵而且不可靠。无传感器控制方法有许多优点，例如成本低，硬件结构简单， W及更高的可靠性等等。无传感器控制的关键是状态观测器的使用，如果能够合理的选取 控制参数，那么无传感器控制方法就可W在线提供准确的速度和位置变量。 到目前为止，已经有很多方法被用来估计永磁同步电机的转子的速度，例如卡尔 曼滤波法，模型参考自适应法，滑模观测器方法等等。在W上提到的方法中，滑模观测器法 是一种最常见的基于状态观测器的方法，虽然运种方法设计过程非常简单，但是它会引起 严重的抖振问题。而模型参考自适应法虽然没有抖振问题，但是设计过程较为复杂。
技术实现思路
为了解决带有不确定项的永磁同步电机无传感器速度控制问题，使永磁同步电机 系统能够在有限时间内稳定并具备较强的鲁棒性，本专利技术提供了一种基于自抗扰和锁相环 技术的无传感器控制方法，该方法采用扩张状态观测器观测系统中的不确定项和反电动 势，并基于观测到的反电动势，设计一种锁相环方法来提取转子的速度和位置信号，电机的 速度控制器是基于自抗扰方法设计的，最终可W实现电机的持续稳定运行。 为了解决上述技术问题提出的技术方案如下： -种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机无传感器速度控制方法，包括W下 步骤： 步骤1，建立永磁同步电机系统数学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下： [000引1.1，永磁同步电机的数学模型表示如下：(I) 其中，ia，ie分别为a轴和0轴上的定子电流;Ua，ue分别为a轴和0轴上的定子电压;R 为定子的等效电阻;ea，ee分别为a-e轴上的反电动势，表示如下：(2)其中，Ie为反电动势系数;0和CO分另鳩转子的速度和位置信号；[001引1.2,式（1)被转化为：巧T，X康示T，b是控制器的增益并满足b = l/l; d(t)为系统总的扰动;根据式(3)，设计W下的反电动势观测器来估计反电动势ea和ee;(4) 其中，ZOl和Zll分别是ia和ie的观测值；ei和62分别是估计误差；Z02和Z12都是反电动 势的估计值;e〇i，阶2都是正常量；[001引 1 .3.巧据式（2)，获得：釣 并且有：樹 其中，I为转子位置0的估计值； 未M^il. 口)[002引其中，爲是估计误差，当#变得很小的时候，得到Sin曲S0，经过锁相环的调节之 后，最终得到I斗0，因此0二苗成立； 1.4,锁相环的传递函数和闭环误差传递函数如下所示： 喊[002引 锁 由丰巧早的仿晋倍写县阶献倍写.巧化鋪相环的稳态误差传递函数为；。日）步骤2，基于自抗扰的速度控制器设计，过程如下： 2.1，电机的运动学模型建立如下：(11) 其中，a(t)为系统的总扰动； 系统的状态方程为：(12) 2.2，线性扩张状态观测器被设计为：[00測（域 其中，Zl为O (t)的观测值;Z2为系统总扰动的估计值;和都是正常量； 2.3，非线性误差反馈控制器设计如下：(14) 其中，u(t)为电机的速度控制器输入信号；COm为电机速度的参考信号;b为电机速 度的参考信号； 2.4，为了简化线性扩张状态观测器，U被设计为：(巧） 忽略系统扰动的影响，式(12)被简化为：(巧) 根据式（12)和式（16)，系统的闭环传递函数为：(17) 通过选择k，速度控制系统能够保持稳定。 本专利技术的技术构思为:采用基于扩张状态观测器来设计，扩张状态观测器是自抗 扰控制的一部分，运种控制方法有一系列的优点，例如更快的响应速度，更高的精度，W及 更强的鲁棒性。 锁相环是一种根据反电动势来提取转子位置和速度的工具，它可W有效的抑制系 统的高频噪声。锁相环一般由=部分组成，分别是电压振荡器，鉴相器，环路滤波器=部分 组成。相比于传统的直接计算方法，锁相环方法不仅提高了估计精度，而且对于系统噪声具 有很大的抑制能力。 针对带有非线性不确定项的永磁同步电机系统，本专利技术采用扩张状态观测器来逼 近系统中的非线性不确定项和估计反电动势，并根据观测到的反电动势设计了锁相环来提 取电机转子的速度和位置信号，相比于传统的机械传感器方法，有效降低了电机的成本并 提高了电机运行的稳定性。此外，基于自抗扰方法设计了电机的速度控制器，增强了系统抗 扰动的能力。本专利技术提供了一种能够有效估计电机转子速度和位置的方法，并使系统的鲁 棒性得W提高，确保永磁同步电机无传感器速度控制系统能够实现较好的控制效果。 本专利技术的有益效果为:实现永磁同步电机的精确控制，降低了电机的成本，提高 系统的快速收敛性能和鲁棒性。【附图说明】 图1为本专利技术的控制流程图； 图2为自抗扰和PID的速度输出信号比较； 图3为受扰动时的自抗扰控制器速度输出； 图4为受扰动时的PID控制器速度输出；[005引图5为估计转子速度信号比较； 图6为估计转子位置信号比较。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术做进一步说明。 参照图1-图6,一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机无传感器速度控制 方法，包括W下步骤： 步骤1，建立永磁同步电机系统数学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下： 1.1，永磁同步电机的数学模型表示如下：(I) 其中，ia，ie分别为a轴和0轴上的定子电流;ua，ue分别为a轴和0轴上的定子电压;R 为定子的油* K日.。。。。令、别为a-e轴上的反电动势，表示如下： (2)其中，Ie为反电动势系数;0和《分别是转子的速度和位置信号；[006引1.2,式(1)被转化为：(3) 其中Xi为T，x2表示4 /f]T;u〇为T，b是控制器的增益并满足b = l/l; d(t)为系统总的扰动;根据式(3)，设计W下的反电动势观测器来估计反电动势ea和ee;(4)[00巧其中，ZOl和Zll分别是ia和ie的观测值;ei和62分别是估计误差;Z02和Z12都是反电动 势的估计值;e0i，e02都是正常量； 1.3,根据式(2)，获得：口）[00对并且有：(6) 其中，谷为转子位置0的估计值； 根据式(5)和式(6)，得到：口、 其中，資是估计误差，当S变得很小的时候，得到加(0')；==0'，经过锁相环的调节之 后，最终得到# ^ O，因此0 =谷成立； 1.4,锁相环的传递函数和闭环误差传递函数如下所示： ㈱ 留） 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于自抗扰和锁相环技术的永磁同步电机无传感器速度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1,建立永磁同步电机系统数学模型，初始化系统状态及控制参数，过程如下：1.1,永磁同步电机的数学模型表示如下：{i·α=-RLiα-1Leα+uαLi·β=-RLiβ-1Leβ+uβL---(1)]]>其中，iα，iβ分别为α轴和β轴上的定子电流；uα，uβ分别为α轴和β轴上的定子电压；R为定子的等效电阻；eα，eβ分别为α‑β轴上的反电动势，表示如下：eα=-leωsin(θ)eβ=leωcos(θ)---(2)]]>其中，le为反电动势系数；θ和ω分别是转子的速度和位置信号；1.2，式(1)被转化为：x·1=-f(x2,d(t))+b.uo---(3)]]>其中x1为[iα iβ]T，x2表示uo为[uα uβ]T，b是控制器的增益并满足b＝1/L；d(t)为系统总的扰动；根据式(3)，设计以下的反电动势观测器来估计反电动势eα和eβ；e1=z01-iαz·01=b.(uα-z01.R-z02)-β01.e1z·02=-β02.e1e2=z11-iβz·11=b.(uβ-z11.R-z12)-β11.e2z·12=-β12.e2---(4)]]>其中，z01和z11分别是iα和iβ的观测值；e1和e2分别是估计误差；z02和z12都是反电动势的估计值；β01，β02都是正常量；1.3,根据式(2)，获得：eα2+eβ2=le2ω2---(5)]]>并且有：sin(θ-θ^)=sinθcosθ^-cosθsinθ^---(6)]]>其中，为转子位置θ的估计值；根据式(5)和式(6)，得到：eα.cosθ^+eβ.sinθ^=-le.ω.sin(θ).cosθ^+le.ω.cos(θ).sinθ^=le.ω.sin(θ-θ^)=le.ω.sin(θ^)---(7)]]>其中，是估计误差，当变得很小的时候，得到经过锁相环的调节之后，最终得到因此成立；1.4,锁相环的传递函数和闭环误差传递函数如下所示：G(s)=le.kp.s+le.kIs2+le.kp.s+le.kI---(8)]]>Ge(s)=Δe(s)θ^e(s)=s2s2+le.kp..s+le.kI---(9)]]>由于转子的位置信号是阶跃信号，因此锁相环的稳态误差传递函数为：Δe(∞)=lims→0.Δe(s)=lims→0s2s2+lekps+lekp=0---(10)]]>步骤2,基于自抗扰的速度控制器设计，过程如下：2.1，电机的运动学模型建立如下：ω·=3npψf2Jiq-BJω-TL=biq*+a(t)---(11)]]>其中，a(t)为系统的总扰动；系统的状态方程为：ω·=bu(t)+a(t)y=ω---(12)]]>2.2，线性扩张状态观测器被设计为：e0=z1-ω(t)z·1=z2-β21.e0+b.u(t)z·2=-β22.e0---(13)]]>其中，z1为ω(t)的观测值；z2为系统总扰动的估计值；β21和β22都是正常量；2.3，非线性误差反馈控制器设计如下：u(t)＝(k(ωm‑ω)‑z2)/b (14)其中，u(t)为电机的速度控制器输入信号；ωm为电机速度的参考信号；b为电机速度的参考信号；2.4，为了简化线性扩张状态观测器，u被设计为：u=-z2+u0b---(15)]]>忽略系统扰动的影响，式(12)被简化为：y·=(a(t)-z2)+u0≈u0---(16)]]>根据式(12)和式(16)，系统的闭环传递函数为：Gc(s)=ks+k---(17)]]>通过选择k，速度控制系统能够保持稳定。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，董方，陶亮，郭一军，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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