一种优化永磁同步电机无传感器控制方法技术

本发明专利技术公开一种优化永磁同步电机无传感器控制方法。本发明专利技术将传感器采集到的三相电流和三相电压进行Clark坐标变换得到两相静止坐标系下电压和电流，再把两相静止坐标系下电压输入给滑模电流观测器得到观测电流；将观测电流与实际电流的差值输入给基于饱和函数的反电动势观测器中得到反电势估计初值，并采用变论域模糊控制算法调节基于饱和函数的反电动势观测器中滑模增益k

An optimal sensorless control method for PMSM

【技术实现步骤摘要】
一种优化永磁同步电机无传感器控制方法
本专利技术涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种优化永磁同步电机无传感器控制方法。
技术介绍
在当今社会生产中，永磁同步电机具有高转矩比、使用方便和功率因数高等特点，被作为主要动力源输出装置，其控制性能研究日益受到重视。传统的永磁同步电机控制系统中，一般通过安装传感器获得电机转子速度以及位置信息，但是安装传感器会使电机系统空间缩小、生产成本上升，使系统对使用环境要求更加苛刻。为了消除使用传感器带来不利影响，目前广泛使用无位置传感器控制技术中的控制算法来估算电机转子位置和速度信息。按照算法适用速度范围，永磁同步电机的无传感器控制技术可分为两类：一类适用于电机低速运行，如电感测量、高频信号注入法等；另一种适用于电机中高速运行，如基于电机基本模型法、模型参考自适应法、人工智能算法和观测器法。其中滑模观测器具有算法简单、抗干扰能力好、响应速度快优点，其缺点是由于惯性和测量误差干扰会产生抖震，同时由于低通滤波器的应用，会产生相位延迟问题。观测器中电流观测误差是动态变化的，所以给定的固定值滑模增益值可能加大抖动。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术一种优化永磁同步电机无传感器控制方法，通过采集永磁同步电机的电流和电压信号值，再通过变论域模糊滑模观测器算法系统模块估算出电机转子位置和转速信息。本专利技术方法不仅削弱了传统滑模观测器系统的抖震，滤除滑模观测器中的高次谐波，获得连续平滑的等效信号，还增强了系统在转速变化、参数变化突加负载时的适应能力和鲁棒性。本专利技术所采用的技术方案为一种优化永磁同步电机无传感器控制方法，包含以下步骤：步骤1，将传感器采集到的三相电流和三相电压进行Clark坐标变换，得到两相静止坐标系下电压和电流，把两相静止坐标系下电压输入给滑模电流观测器得到观测电流，再将滑模电流观测器中观测电流与实际电流的差值输入给基于饱和函数的反电动势观测器中得到反电势估计初值；步骤2：通过变论域模糊控制算法调节基于饱和函数的反电动势观测器中滑模增益；步骤3，利用定子电流实际值和定子电流观测值构建Lyapunov模型，对基于饱和函数的反电动势观测器模型进行稳定性分析；步骤4，将反电动势观测初值通过变截止频率滤波器进行滤波，得到滤波后反电动势估计值；步骤5，通过滤波后反电势计算出转子转速估计值，并对转子位置进行变滞后补偿设计，进而计算出转子位置估计最终值；步骤6，将转子转速估计值通过速度环PI控制器校准，将转子位置估计值通过电流环控制器进行校准，计算得出同步旋转坐标系下电压分量，再通过反Park坐标变换得到的两相静止坐标系下电压分量，经过空间矢量脉宽调制SVPWM后输入给逆变器，电压通过逆变器转换为三相交流电供给给电机，最后电机控制系统形成闭环控制回路。作为优选，步骤1中所述两相静止坐标系下α轴电压为uα，两相静止坐标系下β轴电压为uβ，两相静止坐标系下α轴电流为iα，两相静止坐标系下β轴电流为iβ，iα和iβ为定子电流实际值；所述Clark坐标变换矩阵如下：步骤1中所述构建滑模电流观测器模型，具体表达式如下：式中，为两相静止坐标系下α轴电流观测值；为两相静止坐标系下β轴电流观测值；eα为两相静止坐标系下α轴反电势估计初值；eβ为两相静止坐标系下β轴反电势估计初值；R和Ls分别为定子电阻和定子电感；ψf为磁链；ksmo为滑模观测器中滑模增益；sat饱和函数为滑模观测器切换函数；其中，sat为饱和函数作为滑模电流观测器模型中切换函数，具体定义如下：其中，σ为饱和函数的边界层；步骤1中所述计算电机在两相静止坐标系下定子电流观测值和反电动势观测初值过程为：采用饱和函数作为切换函数，将永磁同步电机在两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值和在β轴上电流观测值与实际电流的差值作为反电动势观测器输入值，再通过基于饱和函数的反电动势观测器分别计算出在两相静止坐标系下α轴上反电动势的观测初值eα和在β轴上反电动势的观测初值eβ。当控制系统在滑模面上滑动时：可得反电动势估计初值为：作为优选，步骤2中所述通过变论域模糊控制算法调节基于饱和函数的反电动势观测器中滑模增益具体步骤为：步骤2.1，对输入信号进行模糊化运算处理；本专利变论域模糊控制器结构为二维模糊控制器，将在两相静止坐标系下定子电流α轴和β轴上分别建立两个变论域模糊控制器；以定子电流α轴变论域模糊控制器建立过程为例，将定子电流将永磁同步电机在两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值定义为e，再计算求导在单位时间差内两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值变化率ec，计算公式为：其中，e(t)为t时刻在两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值；Δt为时间差；再把两相静止坐标系下α轴电流观测值与实际电流的差值e和其差值变化率ec作为模糊控制器两个输入变量,定义模糊控制器输入变量初始论域范围为{-15,15}，输出变量初始论域范围为{-1,1}；在输入和输出论域上加上伸缩因子α(x)和β(x)变换后，输入变量论域范围为{-α(x)15,α(x)15}，输出变量初始论域范围为{-β(x),β(x)}，输入变量论域的伸缩因子函数模型为：其中，x为模糊控制器输入量变量，λ为第一比例系数，k1为第二比例系数，k2为第三比例系数；输出变量论域的伸缩因子函数模型为：其中，x为模糊控制器输入量变量，τ1为第一指数系数，τ2为第二指数系数；ε为正无穷小补偿值；再定义模糊控制器输入和输出变量的模糊语言为：{NB、NM、NZ、PM、PB}输入变量隶属度函数采用三角形隶属度函数，输出变量隶属度函数采用正态形隶属度函数；然后把两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值e和差值变化率ec进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围；模糊控制器实际输入为输入量的变化范围为论域范围[xmin,xmax]，采用线性变换，尺度变换表达式如下：其中，k为比例因子，x0为论域范围的输入量；再将变换到论域范围的输入量x0进行模糊运算处理，使其原先输入量变成模糊量并用相应的模糊集合表示，模糊化运算函数模型为：x＝fz(x0)其中，x0是输入的清晰值；fz表示模糊运算符；x为模糊集合；步骤2.2，根据设置的模糊规则进行模糊化推理，得到模糊输出量M；采用Mamdani模糊推理法，其本质是一种合成推理方法，规则库第i条规则表示为：“IfxisAandyisB,thenZisC.”其中,x、y和Z是代表系统状态和控制量模糊语言变量，x和y是输入量，Z为控制量，A、B和C分别是模糊语言变量x,y,z在其论域X,Y,Z上的模糊语言变量值，所有规则组合在一起构成规则库；其中C为模糊输出量；蕴涵的模糊关系为：Ri＝(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，将传感器采集到的三相电流和三相电压进行Clark坐标变换，得到两相静止坐标系下电压和电流，把两相静止坐标系下电压输入给滑模电流观测器得到观测电流，再将滑模电流观测器中观测电流与实际电流的差值输入给基于饱和函数的反电动势观测器中得到反电势估计初值；/n步骤2：通过变论域模糊控制算法调节基于饱和函数的反电动势观测器中滑模增益；/n步骤3，利用定子电流实际值和定子电流观测值构建Lyapunov模型，对基于饱和函数的反电动势观测器模型进行稳定性分析；/n步骤4，将反电动势观测初值通过变截止频率滤波器进行滤波，得到滤波后反电动势估计值；/n步骤5，通过滤波后反电势计算出转子转速估计值，并对转子位置进行变滞后补偿设计，进而计算出转子位置估计最终值；/n步骤6，将转子转速估计值通过速度环PI控制器校准，将转子位置估计值通过电流环控制器进行校准，计算得出同步旋转坐标系下电压分量，再通过反Park坐标变换得到的两相静止坐标系下电压分量，经过空间矢量脉宽调制SVPWM后输入给逆变器，电压通过逆变器转换为三相交流电供给给电机，最后电机控制系统形成闭环控制回路。/n...

【技术特征摘要】
1.一种优化永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将传感器采集到的三相电流和三相电压进行Clark坐标变换，得到两相静止坐标系下电压和电流，把两相静止坐标系下电压输入给滑模电流观测器得到观测电流，再将滑模电流观测器中观测电流与实际电流的差值输入给基于饱和函数的反电动势观测器中得到反电势估计初值；
步骤2：通过变论域模糊控制算法调节基于饱和函数的反电动势观测器中滑模增益；
步骤3，利用定子电流实际值和定子电流观测值构建Lyapunov模型，对基于饱和函数的反电动势观测器模型进行稳定性分析；
步骤4，将反电动势观测初值通过变截止频率滤波器进行滤波，得到滤波后反电动势估计值；
步骤5，通过滤波后反电势计算出转子转速估计值，并对转子位置进行变滞后补偿设计，进而计算出转子位置估计最终值；
步骤6，将转子转速估计值通过速度环PI控制器校准，将转子位置估计值通过电流环控制器进行校准，计算得出同步旋转坐标系下电压分量，再通过反Park坐标变换得到的两相静止坐标系下电压分量，经过空间矢量脉宽调制SVPWM后输入给逆变器，电压通过逆变器转换为三相交流电供给给电机，最后电机控制系统形成闭环控制回路。


2.根据权利要求1所述的优化永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：步骤1中所述两相静止坐标系下α轴电压为uα，两相静止坐标系下β轴电压为uβ，两相静止坐标系下α轴电流为iα，两相静止坐标系下β轴电流为iβ，iα和iβ为定子电流实际值；
所述Clark坐标变换矩阵如下：



步骤1中所述构建滑模电流观测器模型，具体表达式如下：



式中，为两相静止坐标系下α轴电流观测值；为两相静止坐标系下β轴电流观测值；eα为两相静止坐标系下α轴反电势估计初值；eβ为两相静止坐标系下β轴反电势估计初值；R和Ls分别为定子电阻和定子电感；ψf为磁链；ksmo为滑模观测器中滑模增益；sat饱和函数为滑模观测器切换函数；
其中，sat为饱和函数作为滑模电流观测器模型中切换函数，具体定义如下：



其中，σ为饱和函数的边界层；
步骤1中所述计算电机在两相静止坐标系下定子电流观测值和反电动势观测初值过程为：
采用饱和函数作为切换函数，将永磁同步电机在两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值和在β轴上电流观测值与实际电流的差值作为反电动势观测器输入值，再通过基于饱和函数的反电动势观测器分别计算出在两相静止坐标系下α轴上反电动势的观测初值eα和在β轴上反电动势的观测初值eβ；
当控制系统在滑模面上滑动时：



可得反电动势估计初值为：





3.根据权利要求1所述的优化永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于：步骤2中所述通过变论域模糊控制算法调节基于饱和函数的反电动势观测器中滑模增益具体步骤为：
步骤2.1，对输入信号进行模糊化运算处理；
本专利变论域模糊控制器结构为二维模糊控制器，将在两相静止坐标系下定子电流α轴和β轴上分别建立两个变论域模糊控制器；以定子电流α轴变论域模糊控制器建立过程为例，将定子电流将永磁同步电机在两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值定义为e，再计算求导在单位时间差内两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值变化率ec，计算公式为：



其中，e(t)为t时刻在两相静止坐标系下α轴上电流观测值与实际电流的差值；Δt为时间差；
再把两相静止坐标系下α轴电流观测值与实际电流的差值e和其差值变化率ec作为模糊控制器两个输入变量,定义模糊控制器输入变量初始论域范围为{-15,15}，输出变量初始论域范围为{-1,1}；
在输入和输出论域上加上伸缩因子α(x)和β(x)变换后，输入变量论域范围为{-α(x)15,α(x)15}，输出变量初始论域范围为{-β(x),β(x)}，输入变量论域的伸缩因子函数模型为：



其中，x为模糊控制器输入量变量，λ为第一比例系数，k1为第二比例系数，k2为第三比例系数；
输出变量论域的伸缩因子函数模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈李济，马强，应保胜，李华鑫，伍娇，高维士，韩海风，王硕，张强，
申请(专利权)人：湖北文理学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42