基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制的制作方法

本发明涉及电机控制技术领域，具体是一种基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制的方法。

背景技术：

永磁同步电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高，以及电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。近年来，随着永磁材料性能的进步，以及永磁电机控制技术的完善，永磁同步电机在生产生活各个领域有着广泛应用。但是，永磁同步电机是多变量、强耦合、非线性和变参数的复杂对象，在实际控制时，为了获得优良的控制性能，需要实时的获取永磁同步电机的转速和转子位置信息。采用光电编码器，旋转变压器等机械传感器来获取实时的转速和转子位置信息，会使系统成本增加，体积质量变大，运行环境受到严格限制。因此，需要采用各类控制算法实现对永磁同步电机电信号的实时采集来提取出转子位置信号和转速信号，以此来代替机械传感器获取实时转速转子位置信息，实现永磁同步电机的无传感器控制。

目前，已经提出的永磁同步电机无位置传感器控制的方法主要有：模型参考自适应法、滑模观测器法、神经网络法等。滑模观测器法是一种基于给定电流与反馈电流间的误差，并由该误差来重构电机的反电动势、估算转子速度，其关键在于滑模面函数的选取和滑模增益的选择，既要保证收敛速度，也要避免增益过大而引起电机运行时产生过大的抖振问题。在将终端滑模观测器应用于永磁同步电机无位置传感器控制的研究中，大多数方法主要是基于传统的非奇异终端滑模面的研究，并在此基础上加以改良，虽然取得了一些进展，但上述方法都使用了二阶滑模控制，引入了微分项使设计复杂；或者是将终端滑模方法与其它方法结合形成新的复合控制方法，但这些方法在追求更加优越的观测器性能的同时使算法更加复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种针对永磁同步电机无位置矢量控制时的转子位置和转速估计精度低问题的解决方案，提出了一种基于快速幂次趋近律的新型终端滑模观测器。该方案不仅有效地解决了上述问题，而且设计简单。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：

一种基于快速幂次趋近律的新型终端滑模观测器，包括以下步骤：

步骤1、设计一个积分型非奇异快速终端滑模面。

步骤2、根据表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型，设计滑模观测器.

步骤3、结合快速幂次趋近律设计终端滑模观测器的控制律。

步骤4、对所设计的观测器进行稳定性分析。

有益效果：

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：

本发明设计了积分型的非奇异快速终端滑模面，不仅避免引入微分项简化了观测器的设计，还优化了观测器的性能；并结合快速幂次趋近律，实现观测器的快速收敛与准确跟踪，有效抑制滑模控制抖振问题；最后运用李雅普诺夫函数证明了观测器的稳定性。本发明不仅有效地提高了永磁同步电机无位置矢量控制时的转子位置和转速估计精度，而且设计简单，便于工程实现。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本申请的基于快速幂次趋近律的新型终端滑模观测器的结构图

图2是传统的非奇异快速终端滑模观测器结构图；

图3是本申请的基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制仿真图；

图4是传统滑模观测器在变速时的转速估计误差仿真结果图。

图5是传统滑模观测器在变速时转子位置估计误差的仿真结果图。

图6是传统滑模观测器在变载时转速估计误差的仿真结果图。

图7是传统的滑模观测器在变载时转子位置估计误差的仿真结果图。

图8是本发明的滑模观测器在变载时转子位置估计误差的仿真结果图。

图9是本发明的滑模观测器在变载时转子位置估计误差的仿真结果图。

图10是本发明的滑模观测器在变载时转子位置估计误差的仿真结果图。

图11是本发明的滑模观测器在变载时转子位置估计误差的仿真结果图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、设计一个积分型非奇异快速终端滑模面。

步骤2、根据表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型，设计滑模观测器.

步骤3、结合快速幂次趋近律设计终端滑模观测器的控制律。

步骤4、对所设计的观测器进行稳定性分析。

本实施方式中，本申请提出一种基于快速幂次趋近律的新型终端滑模观测器设计方法，通过设计新型的积分型非奇异快速终端滑模面和控制律，有效地提高了永磁同步电机无位置矢量控制时的转子位置和转速估计精度。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制作进一步说明，本实施方式中，步骤一中所述的积分型非奇异快速终端滑模面为：

式中：b,c,r>0；x1为系统的状态变量。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制作进一步说明，本实施方式中，步骤二具体按照以下方法实施：

建立表贴式永磁同步电机基于静止坐标系下的电流状态方程如下：

式中，iα、iβ为定子电流；uα、uβ为定子电压；eα、eβ为扩展反电动势。

根据表贴式永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型构建滑模观测器方程如下：

式中，为定子电流的观测值；uα、uβ为观测器的控制输入。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制作进一步说明，本实施方式中，步骤三具体按照以下方法实施：

根据滑模观测器方程，令电流观测误差为系统的状态变量。

根据积分型非奇异快速终端滑模面方程，令并引入快速幂次趋近律，可得滑模观测器的控制律为：

式中，k,ε>0，0<α<1，β≥1。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制作进一步说明，本实施方式中，步骤四具体为：

选取李雅普诺夫函数：

对v求导，得：

在{|s|≤min((|e|/k)^1/α,|e|/ε|x1|^β)}之内，是负定的，即该系统是稳定的。

当s>0时，则对滑模观测器控制律求导后代入求导后的定子电流的误差方程，可得：

当时，即快速减小。

同理，当s<0时，即快速增大，则当时，在有限时间内实现s＝0。

因此该观测器是稳定的。

仿真分析：

在matlab/simulink环境下搭建仿真模型，采用id＝0的矢量控制策略，如图3所示。

其中，仿真中电机参数为：

pn＝3kw，un＝200v，in＝18a，nn＝3000r/min，极对数pn＝5，定子电感ls＝0.827mh，定子电阻r＝0.258ω，磁链ψf＝0.057wb，转动惯量j＝0.006(kg·m²)，阻尼系数b＝0；

仿真条件设置为：

pwm开关频率设置为fpwm＝10khz，选用定步长ode3算法，且仿真步长设置为2×10^-7s。

本发明所述的终端滑模观测器的参数为：

a＝1；gama＝1；alfa＝0.5；beta＝1.5；b＝100；c＝100；k＝25；ε＝15；

(1)变速实验：系统初始给定转速为nref＝500r/min，带3n·m恒负载转矩运行。在0.25s时刻给定转速突变为nref＝1000r/min，仿真时间为0.5s。

(2)变载实验：系统给定转速保持在nref＝500r/min，启动转矩为3n·m，在0.2s时负载变为7n·m，0.35s时负载变为5n·m，仿真时间为0.5s。

仿真结果如图4～图11所示。

从图4和图8可以看出，在转速给定nref＝500r/min时，本文所设计的新型观测器在稳定运行时转速估计误差最大为0.05r/min，而传统的观测器在稳定运行时转速估计误差最大为0.24r/min，相较之下，本发明转速估计精度提高了79.2％，0.25s后转速给定变为nref＝1000r/min，此时本发明所设计的观测器在稳定运行时转速估计误差最大为0.08r/min，而传统的观测器在稳定运行时转速估计误差最大为0.26r/min，相较之下，本发明的转速精度提高了69.2％，由此可见，本发明所设计的观测器在转速变化时具有更高的转速估计精度。从图5和图9两图的比较中可以看出，在转速给定nref＝500r/min时，本文所设计的观测器在非跳变时刻转子位置估计误差最大为0.047rad，而传统的观测器在非跳变时刻转子位置估计误差最大为0.095rad，本发明的转子位置估计精度提高了50.5％，0.25s后转速给定变为nref＝1000r/min，此时本发明所设计观测器在非跳变时刻转子位置估计误差最大为0.060rad，而传统的观测器在非跳变时刻转子位置估计误差最大为0.103rad，相较之下，转子位置估计精度提高了41.7％，由此可见，本发明所设计的观测器在转速变化时具有更高的转子位置估计精度，并且转子位置估计误差波动更小。从图6和图10比较可以看出，在负载转矩给定为3n·m、7n·m、5n·m时，本文所设计的新型观测器在稳定运行时转速估计误差最大为0.06r/min，而传统的观测器在稳定运行时转速估计误差最大为0.24r/min，相较之下，本发明的转速估计精度提高了75％，由此可见，本发明所设计的观测器在负载转矩变化时具有更高的转速估计精度。从图7和图11比较可以看出，在负载转矩给定为3n·m、7n·m、5n·m时，本发明所设计的新型观测器在非跳变时刻转子位置估计误差最大为0.047rad，而传统的观测器在非跳变时刻转子位置估计误差最大为0.095rad，相较之下，本发明的转子位置估计精度提高了50.5％，由此可见，本发明所设计的观测器在负载转矩变化时具有更高的转子位置估计精度，并且转子位置估计误差波动更小。