一种永磁直线电机无速度传感器控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种永磁直线电机无速度传感器控制系统，属于电机控制领域。包括：电机电流误差估计模块，用于接收电流PI控制器输出u

【技术实现步骤摘要】
一种永磁直线电机无速度传感器控制系统


[0001]本专利技术属于电机控制
，更具体地，涉及一种永磁直线电机无速度传感器控制系统。

技术介绍

[0002]在直线传动方面，传统的旋转电机驱动方式会使中间传动环节能量损失较大，而采用直线电机直接驱动省去了旋转到直线转换的机械传动装置，减少中间传动环节的能量损失，提高传动效率。此外，永磁直线电机还具有一些优点，如结构简单、体积小、效率高、功率密度高等，其可以广泛地应用于交通领域、工业领域和物流服务领域等。
[0003]为了实现永磁直线电机的高性能闭环控制，需要检测电机动子的速度和位置信息。然而，传统的机械式传感器价格昂贵，安装不便，易受环境的干扰。为了克服机械式传感器的缺点，近年来无速度传感器控制的发展受到了越来越多学者的关注。
[0004]目前，对于永磁直线电机的无速度传感器控制策略有：高频信号注入法、反电势计算法、滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波器法、模型参考自适应法等。其中，在基于模型参考自适应的无速度传感器矢量控制系统中，传统的PI速度调节器存在响应速度与超调的矛盾，参数适应性差，抗负载扰动性能差，并难以应对永磁直线电机由端部效应引起的速度波动。为了提高永磁直线电机运行的平稳性及抗扰能力，需要对现有无速度传感器控制系统进行改进。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种永磁直线电机无速度传感器控制系统，其目的在于基于模型参考自适应无速度传感器矢量控制系统中，在保证永磁直线电机动子速度和位置估计精度的前提下，设计速度调节器，提高了系统的抗负载扰动能力和减弱由端部效应引起的速度波动。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种永磁直线电机无速度传感器控制系统，所述控制系统包括：电流PI控制器、Park变换模块和反Park变换模块，所述控制系统还包括：电机电流误差估计模块、估计速度自适应率模块、扩展状态观测器、误差反馈控制器和总扰动补偿模块；
[0007]电机电流误差估计模块，用于接收电流PI控制器输出的电机dq轴电压u
d
和u
q
，将u
d
和u
q
同时输入至永磁直线电机的参考模型和可调模型，分别得到定子电流实际值和定子电流观测值，将两者的差值输出至估计速度自适应率模块；
[0008]估计速度自适应率模块，用于根据波波夫超稳定性理论，得到估计速度自适应率反馈至可调模型，使自适应调整可调模型与参考模型的输出误差趋于0，由速度自适应率得到估计速度，并传递给电机速度调节器，对估计速度积分得到估计位置，输出至Park变换模块和反Park变换模块；
[0009]扩展状态观测器，用于接收电机运行速度估计值和总扰动补偿模块返回的q轴给
定电流信号，估计电机控制系统内外扰总和，输出总扰动观测值至总扰动补偿模块，输出电机运行速度跟踪值至误差反馈控制器；
[0010]误差反馈控制器，用于接收扩展状态观测器输出的电机运行速度跟踪值，对电机速度给定值和电机运行速度跟踪值的差值进行非线性控制，输出补偿前q轴给定电流信号至总扰动补偿模块；
[0011]总扰动补偿模块，用于接收补偿前q轴给定电流信号和总扰动观测值，对总扰动进行前馈补偿，得到q轴给定电流信号，输出至电流PI控制器及扩展状态观测器。
[0012]优选地，所述永磁直线电机的参考模型为：
[0013][0014]永磁直线电机的可调模型为：
[0015][0016]其中，u
′
d
、u
′
q
、i
′
d
和i
′
q
分别为等效d轴定子电压、等效q轴定子电压、等效d轴定子电流和等效q轴定子电流，是动子电角速度估计值，和分别是等效d轴定子电流估计值和等效q轴定子电流估计值，R
s
表示定子电阻，L
d
和L
q
分别表示d轴和q轴定子电感，ψ
f
表示永磁体磁链，ω
e
表示动子电角速度。
[0017]优选地，将参考模型与可调模型作差，得到误差状态方程：
[0018][0019]其中，其中，
[0020]通过波波夫超稳定性理论，得到估计速度的自适应率为：
[0021][0022]进而得到估计位置为：
[0023][0024]其中，和分别是d轴定子电流估计值和q轴定子电流估计值，s为拉普拉斯算子，k
p
和k
i
分别为比例控制参数和积分控制参数，τ为电机极距，为动子直线速度估计值，为用于坐标变换的位置估计值。
[0025]优选地，所述扩展状态观测器为：
[0026][0027]其中，表示电机运行速度估计值，v表示的跟踪值，表示v的微分，f(t)表示扰动总和的观测值，β1和β2表示观测器参数，e2表示误差信号，b表示电机已知模型的补偿增益，表示q轴给定电流信号，表示f(t)的微分。
[0028]有益效果：本专利技术采用扩展状态观测器，由于扩展出一个新的状态量，实现不要求获得系统准确的数学模型，能够估计内外扰总和。
[0029]优选地，所述误差反馈控制器为：
[0030][0031]其中，e3表示误差信号，表示电机速度给定值，v表示的跟踪值，i
q0
表示补偿前的q轴给定电流信号，k表示误差反馈控制器参数，fal(e3,α,δ)表示非线性控制函数，α和δ分别表示非线性因子和滤波系数。
[0032]有益效果：本专利技术采用误差反馈控制器，由于非线性控制函数的小误差大增益，大误差小增益的特性，实现误差信号的快速收敛，电机速度动态跟随性能好。
[0033]优选地，所述总扰动补偿模块为：
[0034][0035]其中，表示q轴给定电流信号，i
q0
表示补偿前的q轴给定电流信号，f(t)表示扰动总和的观测值，b表示电机已知模型的补偿增益。
[0036]有益效果：本专利技术采用总扰动补偿模块，由于能够对观测出的内外扰总和进行动态补偿，实现电机速度控制鲁棒性强，抗干扰能力强，减小永磁直线电机端部效应引起的速度波动，使电机运行更加平稳。
[0037]优选地，
[0038]其中，M表示电机动子质量，τ表示电机极距，ψ
f
表示永磁体磁链，F
l
表示负载力，F
d
表示端部效应引起的推力波动。
[0039]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0040]本专利技术提出一种永磁直线电机无速度传感器控制系统，以永磁直线电机为控制对象，速度估计模块通过电流误差，根据波波夫超稳定性理论得到速度自适应率，实现电机的速度估计和位置估计，在传统的无速度传感器控制策略基础上，对速度调节器进行改进，采用由扩展状态观测器、误差反馈控制器及总扰动补偿模块组成的电机速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁直线电机无速度传感器控制系统，所述控制系统包括：电流PI控制器、Park变换模块和反Park变换模块，其特征在于，所述控制系统还包括：电机电流误差估计模块、估计速度自适应率模块、扩展状态观测器、误差反馈控制器和总扰动补偿模块；电机电流误差估计模块，用于接收电流PI控制器输出的电机dq轴电压u
d
和u
q
，将u
d
和u
q
同时输入至永磁直线电机的参考模型和可调模型，分别得到定子电流实际值和定子电流观测值，将两者的差值输出至估计速度自适应率模块；估计速度自适应率模块，用于根据波波夫超稳定性理论，得到估计速度自适应率反馈至可调模型，使自适应调整可调模型与参考模型的输出误差趋于0，由速度自适应率得到估计速度，并传递给电机速度调节器，对估计速度积分得到估计位置，输出至Park变换模块和反Park变换模块；扩展状态观测器，用于接收电机运行速度估计值和总扰动补偿模块返回的q轴给定电流信号，估计电机控制系统内外扰总和，输出总扰动观测值至总扰动补偿模块，输出电机运行速度跟踪值至误差反馈控制器；误差反馈控制器，用于接收扩展状态观测器输出的电机运行速度跟踪值，对电机速度给定值和电机运行速度跟踪值的差值进行非线性控制，输出补偿前q轴给定电流信号至总扰动补偿模块；总扰动补偿模块，用于接收补偿前q轴给定电流信号和总扰动观测值，对总扰动进行前馈补偿，得到q轴给定电流信号，输出至电流PI控制器及扩展状态观测器。2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述永磁直线电机的参考模型为：永磁直线电机的可调模型为：其中，u
′
d
、u
′
q
、i
′
d
和i
′
q
分别为等效d轴定子电压、等效q轴定子电压、等效d轴定子电流和等效q轴定子电流，是动子电角速度估计值，和分别是等效d轴定子电流估计值和等效q轴定...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟，曲港辉，王安勇，宫逸凡，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：