基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，滑模观测器为基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器，滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环。本发明专利技术将现有滑模观测器中的符号函数替代为基于边界层自调节反正弦函数，同时采用扩展卡尔曼滤波器提取扩展反电动势，去除现有滑模观测器中的低通滤波器，并将提取扩展反电动势反馈至电流状态观测器进行幅值补偿。与现有滑模控制器相比，本发明专利技术提供的基于边界层自调节反正弦函数的滑模观测器可以有效抑制转矩脉动，提高系统稳态性能，改善转子位置和转速跟踪精确。

【技术实现步骤摘要】
基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法
本专利技术涉及机电控制领域，尤其涉及一种基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法。
技术介绍
无位置传感器控制技术采样电机中相关电信号用以估算转子位置和速度信息，除去了机械式位置传感器，从而减小了系统体积和重量，降低了成本和硬件复杂度，提高了系统运行性能。永磁同步电机无位置传感器控制方法主要有高频注入法和观测器法，观测器法有扩展卡尔曼滤波器、模型参考自适应和滑模观测器等。其中滑模观测器是一种非线性控制方法，其结构简单，建模精度要求低，鲁棒性强，但同样存在系统抖振大、位置角相位有延迟和稳态性能不佳的问题。传统滑模观测器采用符号函数作为滑模面控制函数，导致系统抖振严重，观测反电动势存在大量谐波，从而影响转速估算精度，转矩脉动大——采用饱和函数替代符号函数可以有效减小系统抖振，但饱和函数的边界层厚度往往固定为一常值，这会造成某些转速或施加某一负载工况下的稳态性能较差。使用低通滤波器可以有效滤除高频谐波，但会造成反电动势幅值下降和位置角相位延迟，需要额外的位置补偿。因此，研究一种能够有效抑制转矩脉动、转子位置及转速跟踪精确、稳态性能好和结构简单的无位置传感器控制算法有着广阔的发展前景。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，能够精确跟踪转子位置和转速信息，抑制转矩脉动，提高系统稳态性能。技术方案：基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，所述滑模观测器为基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器，所述滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环；所述电流状态观测器的输入分别为采样的α和β轴电压uα、uβ，α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ以及α和β轴扩展反电动势观测值所述电流状态观测器的输出为α和β轴电流估计值所述α和β轴电流估计值与采样的α和β轴电流iα、iβ的差值输入到边界层自调节反正弦饱和函数模块，所述边界层自调节反正弦饱和函数模块的输出为α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ；所述α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ和估算转速输入到扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器的输出为α和β轴扩展反电动势观测值所述α和β轴扩展反电动势观测值输入到软件锁相环，从而所述软件锁相环输出估算转子位置角和估算转速进一步的，所述电流状态观测器为：其中，R为定子电阻，ω为电角速度，Ld、Lq分别为d和q轴电感值；所述α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ表示为：其中，ks为开关增益，ks>max(|Eα|,|Eβ|)，Eα、Eβ分别为α和β轴扩展反电动势，Narcsin(s)为边界层自调节反正弦饱和函数；所述扩展卡尔曼滤波器为：其中，kk为滤波器自适应率，kk>0；分别为α和β轴扩展反电动势观测误差值，进一步的，所述边界层自调节反正弦饱和函数为：其中，sα、sβ分别为α和β轴扩展反电动势Eα、Eβ对应的滑模面，λ为基本边界层厚度。有益效果：本专利技术将现有滑模观测器中的符号函数替代为基于边界层自调节反正弦函数，同时采用扩展卡尔曼滤波器提取扩展反电动势，去除现有滑模观测器中的低通滤波器，并将提取扩展反电动势反馈至电流状态观测器进行幅值补偿；与现有滑模控制器相比，本专利技术提供的基于边界层自调节反正弦函数的滑模观测器可以有效抑制转矩脉动，提高系统稳态性能，改善转子位置和转速跟踪精确。本专利技术所提的转子位置和速度估算方法可有效降低系统抖振，提高转子位置和速度估算精度和抑制转矩脉动，满足高速氢泵、空压机等永磁同步电机驱动领域对系统可靠性和效率的要求。附图说明图1是本专利技术实施例的矢量控制系统的控制框图；图2是本专利技术实施例的基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器的结构框图；图3是本专利技术实施例的软件锁相环的结构框图；图4是本专利技术实施例的滑模观测器的静态实验结果；其中，(a)为扩展反电动势观测值，(b)为转速的估计值、实际值及其误差值，(c)为转子位置角的估计值、实际值及其误差值。图5是本专利技术实施例的滑模观测器的动态实验结果；其中，(a)为转速突变下转速的估计值、实际值及其误差值和转矩，(b)为转矩突变下转速的估计值、实际值及其误差值和转矩。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。图1的矢量控制系统由速度PI调节器、d和q轴电流PI调节器、反Park坐标变换、SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)、三相逆变器、永磁同步电机、Clarke坐标变换、Park坐标变换、基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器、软件锁相环(SPLL)等环节构成。该系统为速度(外环)和电流(内环)双闭环结构。基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器和软件锁相环用来实时估算电机转子位置和速度以取代机械式位置传感器。其中，估算转子位置角用于矢量控制系统中的Park坐标变换和反Park坐标变换，估算速度作为速度环的反馈值。基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器以估算转速α和β轴电压uα、uβ、以及α和β轴电流iα、iβ作为输入量，输出量为α和β轴扩展反电动势观测值软件锁相环的输入量为α和β轴扩展反电动势观测值输出量为估算的转子位置角和转速如图2所示，基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环。电流状态观测器与边界层自调节反正弦饱和函数模块相连接，边界层自调节反正弦饱和函数模块与扩展卡尔曼滤波器、电流状态观测器模块相连接，扩展卡尔曼滤波器模块与软件锁相环模块、电流状态观测器模块相连接，软件锁相环模块与扩展卡尔曼滤波器模块相连接。电流状态观测器的输入分别为采样的α和β轴电压uα、uβ，α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ以及α和β轴扩展反电动势观测值电流状态观测器的输出为α和β轴电流估计值α和β轴电流估计值与采样的α和β轴电流iα、iβ的差值输入到边界层自调节反正弦饱和函数，边界层自调节反正弦饱和函数的输出为α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ。α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ和估算转速输入到扩展卡尔曼滤波器，扩展卡尔曼滤波器的输出为α和β轴扩展反电动势观测值α和β轴扩展反电动势观测值输入到软件锁相环，从而软件锁相环输出估算转子位置角和估算转速估算方法中的电流状态观测器和边界层自调节反正弦饱和函数的设计过程为：αβ坐标系下的定子电压方程为：其中，uα、uβ分别为α和β轴电压；iα、iβ分别为α和β轴电流；θe为转子位置角；Eα、Eβ分别为α和β轴扩展反电动势；R为定子电阻，ω为电角速度；Ld、Lq分别为d和q轴电感值；id、iq分别为d和q轴电流；ψf为永磁体磁链。将式(1)改写为以α和β轴电流为状态变量的状态方程：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，其特征在于，所述滑模观测器为基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器，所述滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环；/n所述电流状态观测器的输入分别为采样的α和β轴电压u

【技术特征摘要】
1.基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，其特征在于，所述滑模观测器为基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器，所述滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环；
所述电流状态观测器的输入分别为采样的α和β轴电压uα、uβ，α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ以及α和β轴扩展反电动势观测值所述电流状态观测器的输出为α和β轴电流估计值所述α和β轴电流估计值与采样的α和β轴电流iα、iβ的差值输入到边界层自调节反正弦饱和函数模块，所述边界层自调节反正弦饱和函数模块的输出为α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ；所述α和β轴滑模面控制函数值zα、zβ和估算转速输入到扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器的输出为α和β轴扩展反电动势观测值所述α和β轴扩展反电动势观测值输入到软件锁相环，从而所述软件锁相环输出估算转子位置角和估算转速


2.根据权利要求1所述的基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蔚，翟良冠，王家乐，李帆，金鑫，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32