一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法技术

一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法，属于永磁直线电机控制领域

【技术实现步骤摘要】
一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法


[0001]本专利技术属于永磁直线电机控制领域，具体涉及一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法
。

技术介绍

[0002]永磁直线电机
(Permanent Magnet Linear Motor
，
PMLM)
可省去大量的传动机构，减小系统体积并提升系统效率，已经广泛应用于国防军用
、
高端数控机床
、
半导体加工设备和交通运输等诸多传动领域
。
电机的矢量控制系统使用机械位置传感器进行速度和位置检测时，会增加系统成本并且无法适应极端恶劣的工作环境，无位置传感器控制技术可解决这些问题，增强电机控制系统的可靠性和适应性
。
[0003]目前还没有一种无位置传感器控制算法能够可靠的运行在全速域中，虽然中高速域阶段的动子位置估计算法正在努力拓展到零低速阶段，但是由于速度降低，导致基波频率信号的幅值也显著降低，系统噪声和检测误差的干扰将导致此类方法很难提取出用于位置估计的基波频率信号
。
为了实现全速域范围的动子位置估计，通常是将低速域和中高速域的无位置传感器控制算法结合起来，实现两种不同算法之间的优势互补，此方式称为复合控制
。
速度过渡区的复合控制策略主要有三种：单点切换法
、
滞环切换法和加权切换法
。
单点切换法是通过设定一个速度阈值作为切换点，在此切换点实现低速和中高速无位置传感器控制算法的切换，设计简单易行，但切换点的确定需要根据实际情况反复实验，切换点选择不恰当时会导致切换时的抖动加剧，影响整个电机控制系统的性能
。
滞环切换法是通过设定一个滞环切换区间，在此区间内由低速和中高速两种无位置传感器控制算法滞环切换估计动子速度和位置，由于两种算法在切换点估计的动子速度和位置存在差异，故滞环切换法可能会引起速度和位置在切换区间的波动
。
加权切换法与滞环切换法的工作原理类似，区别是在速度过渡区间的速度和位置估计值由两种控制算法输出估计值的线性组合提供
。
本专利技术基于第三种加权切换策略进行复合控制
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为解决目前还没有一种无位置传感器控制算法能够可靠的运行在永磁直线电机全速域的问题，进而提供一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法
。
[0005]低速运行时，考虑到磁路的饱和效应和交叉耦合电感
、
带通滤波器
(Band
‑
pass Filter
，
BPF)
带来的相位滞后以及动子位置估计存在误差等问题，本专利技术提出一种改进的高频电压注入法
。
首先引入了动态电感概念，建立了永磁直线电机考虑电感非线性变化的数学模型，之后将
BPF
替换为两级串联的纯延时滤波器
(Cascaded time delayed filter,CTDF)
，使得提取出的高频电流响应幅值成倍增加，此外利用一个同步轴系高通滤波器提取出了有用的高频电流响应顺时针旋转分量，最后提出一种动子位置估计误差补偿策略，对误差进行实时计算和补偿，提高了永磁直线电机的无位置传感器控制检测精度
。
本专利技术在
现有的低速无位置传感器控制算法的基础上进行改进设计，进一步提升了控制速度和位置检测性能
。
[0006]中高速运行时，传统的滑模观测器存在着严重的系统抖振且会存在相位滞后的问题，为了抑制系统抖振和提高动子速度和位置估计精度，提出一种改进的滑模观测器，将设计的自适应调节边界层反双曲正切函数代替开关函数，自适应滤波器代替低通滤波器，通过锁相环获取动子的位置信息
。
本专利技术的方法可以有效抑制系统抖振，估计精度和鲁棒性较好，能适应不同工况下的动子速度和位置估计
。
[0007]低速和中高速的位置检测两种方法都有着自身的局限性：高频信号注入法在电机中高速运行时由于基波频率的升高而难以提取高频电流响应信号，故其不再适用于中高速阶段；滑模观测器法由于低速阶段的反电动势值很小难以观测其值，故不适用于低速运行
。
因此本专利技术将两种算法结合起来，设计了一种加权函数切换策略，在低速时采用高频电压注入法，中高速时采用滑模观测器法，低速切换至中高区的过渡区内则由两种算法的线性组合提供动子的速度和位置信息，从而实现全速域的无位置传感器复合控制
。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0009]一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法，所述方法包括以下步骤：
[0010]步骤一：永磁直线电机低速运行时，采用高频信号注入法完成永磁直线电机动子位置和转速估计；
[0011]步骤二：永磁直线电机中高速运行时，采用自适应调节边界层滑模观测器法完成永磁直线电机动子位置和转速估计；
[0012]步骤三：采用加权函数的切换策略，实现步骤一与步骤二两种算法间的平滑切换
。
[0013]进一步的是，步骤一的具体过程如下：
[0014]首先定义动态电感，之后在永磁直线电机考虑电感非线性变化情况下，分别向
α
、
β
轴注入一个高频正弦电压信号并获取注入此高频正弦电压矢量下的高频电流响应；
[0015]动态电感的定义式为
:
[0016][0017]其中，
f
d
(i
d
,i
q
)
和
f
q
(i
d
,i
q
)
分别为
dq
轴的动态自感；
f
dq
(i
d
,i
q
)
和
f
qd
(i
d
,i
q
)
分别为
dq
轴的动态互感；
ψ
d
和
ψ
q
为定子磁链在
dq
坐标系下的分量；
i
d
和
i
q
分别为定子电流在
dq
坐标系下的分量；
[0018]利用两级串联的纯延时滤波器替换带通滤波器
(Band
‑
pass Filter
，
BPF)
提取出高频电流响应；
[0019]利用同步轴系高通滤波器提取出顺时针旋转高频电流分量，用于估计动子的速度和位置；
[0020]利用扩张状态观测器
(Extended State Observer,ESO)
来进行最后的速度和位置估计；
[0021]最后，考虑电感非线性变化时，最终估本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：永磁直线电机低速运行时，采用高频信号注入法完成永磁直线电机动子位置和转速估计；步骤二：永磁直线电机中高速运行时，采用自适应调节边界层滑模观测器法完成永磁直线电机动子位置和转速估计；步骤三：采用加权函数的切换策略，实现步骤一与步骤二两种算法间的平滑切换
。2.
根据权利要求1所述的一种永磁直线电机全速域无位置传感器控制方法，其特征在于：步骤一的具体过程如下：首先定义动态电感，之后在永磁直线电机考虑电感非线性变化情况下，分别向
α
、
β
轴注入一个高频旋转正弦电压信号并获取注入此高频旋转正弦电压矢量下的高频电流响应；动态电感的定义式为
:
其中，
f
d
(i
d
,i
q
)
和
f
q
(i
d
,i
q
)
分别为
dq
轴的动态自感；
f
dq
(i
d
,i
q
)
和
f
qd
(i
d
,i
q
)
分别为
dq
轴的动态互感；
ψ
d
和
ψ
q
为定子磁链在
dq
坐标系下的分量；
i
d
和
i
q
分别为定子电流在
dq
坐标系下的分量；利用两级串联的纯延时滤波器替换带通滤波器提取出高频电流响应；利用同步轴系高通滤波器提取出顺时针旋转高频电流分量，用于估计动子的速度和位置；利用扩张状态观测器来进行最后的速度和位置估计；最后，考虑电感非线性变化时，最终估计出的动子位置会存在一个位置估计误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玫，汪霭廷，王新生，姚统，李万喜，王理平，
申请(专利权)人：山东天海能源科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：