阅读说明：本技术 一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略 (Surface-mounted permanent magnet synchronous motor position-sensorless control hybrid strategy ) 是由 张磊 刘荣明 高春侠 洪伟 于茜 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略涉及电机的无位置传感器控制领域,该策略由两个位置观测器组成,其中位置观测器一为MRAS观测器,负责使系统获得较高的稳态估算精度,位置观测器二为滑模观测器,负责在系统受到较强干扰时运行以保证位置观测的动态响应稳定,通过控制开关函数对两个位置观测器进行调节。本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略,其结构简单,易于实现,既保证了良好的静态性能,又有稳定的动态响应,有效地增强了中高速无位置传感器控制系统的鲁棒性。(The invention provides a surface-mounted permanent magnet synchronous motor position sensorless control hybrid strategy, which relates to the field of motor position sensorless control and comprises two position observers, wherein one position observer is an MRAS observer and is responsible for enabling a system to obtain higher steady state estimation accuracy, and the other position observer is a sliding mode observer and is responsible for operating when the system is strongly interfered so as to ensure the stable dynamic response of position observation, and the two position observers are adjusted by controlling a switch function. The surface-mounted permanent magnet synchronous motor position sensorless control hybrid strategy provided by the invention has the advantages of simple structure, easiness in realization, guarantee of good static performance, stable dynamic response and effective enhancement of the robustness of a medium-high speed position sensorless control system.)

一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略

技术领域：

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体为一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略。

技术背景：

永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、结构灵活多样等显著优点，因此在生产生活中受到广泛应用。永磁同步电动机控制中需要电机转子位置信息的反馈，但是，机械位置传感器会使电机体积和制造成本增加，而且使电机结构变得复杂,使得可靠性降低，增加了系统的维护工作量，控制系统性能因此会大大降低。因此，基于算法观测器代替机械传感器的无位置传感器控制技术成为了国内外研究的热点。

永磁同步电机无位置传感器控制方法有很多，例如高频注入法、滑模观测器法、模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法、神经网络等智能算法，其中模型参考自适应法和滑模观测器法因为其良好的性能响应备受青睐。模型参考自适应法方法简单，稳态精度高，但以电机模型作参考模型，受电机参数影响较大，鲁棒性差。滑模观测器法有较强的鲁棒性，但存在抖振问题。大多数改进策略是将单一方法针对其缺点进行改进，如在模型参考自适应法中加入电机参数辨识，如在传统滑模观测器法的改进中引入高阶滑模，这些改进措施不仅会大大增加控制系统的复杂性，而且会产生新的问题。因此本文提出一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略，设计开关函数将模型参考自适应法和滑模观测器法结合在一起，使系统在运行过程中仅使用一种控制算法，又能使两种算法优势互补，本发明不仅设计简单，而且性能良好。

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本发明是针对表贴式永磁同步电机无位置传感器矢量控制中转子位置观测的稳态精度和动态响应问题，提出了一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略。该方法不仅具有很高的稳态精度，快速的动态响应，鲁棒性强，有效地解决了上述问题，而且设计简单，易于实现。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

该策略采用Id＝0的矢量控制，由MRAS观测器一和位置观测器二组成一个混合位置观测器，观测器一主要负责在系统稳态模式下运行以保证位置观测的误差较小，观测器二主要负责在系统受到较强干扰时运行以保证位置观测的动态响应稳定，二者并列通过开关函数进行切换运行以达到更好的性能。本文提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略集合了MRAS观测器稳态精度高和滑模观测器动态响应好的优点，弥补单种算法造成的性能不足。

一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略，包括以下步骤：

1)根据表贴式永磁同步电机数学模型，基于波波夫超稳定理论设计MRAS观测器

2)根据表贴式永磁同步电机数学模型，基于一阶线性滑模面设计滑模观测器

3)调节MRAS观测器以达到更高的稳态精度，调节一阶线性滑模观测器以达到更快速的动态响应，并分别通过实验对MRAS观测器和滑模观测器在不同工况下的性能进行分析。

4)确定一阶线性滑模面设计滑模观测器抖振带的带宽

5)根据步骤3和步骤4的数据设计混合控制开关函数

式中w₁,θ₁为MRAS观测器的观测速度和观测位置，w₂,θ₂为滑模观测器的观测速度和观测位置，为系统给定值，k略高于滑模观测器的抖振带带宽幅值的一半。

本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略，与现有技术相比所具有的有益效果为：

本发明采用MRAS观测器作为混合观测器之一，其利用可调模型与实际值之差，基于波波夫超稳定理论得到自适应律，通过自适应律的自适应调节实现可调模型观测值对实际值的跟踪。自适应律本身能够消除静差和减小干扰，达到很高的稳态精度。

本发明采用一阶线性滑模观测器作为混合观测器之一，选用饱和函数sat代替传统的sign函数，设计滤波器并对观测位置进行补偿，能够实现观测器快速收敛和准确跟踪，并且有效地抑制了滑模控制的抖振问题，有较强的鲁棒性。

本发明将终端滑模观测器与MRAS观测器混合控制，通过对两个观测器的实验性能分析，设计了开关函数来合理地选择观测器，减少了动态响应时间，提高了稳态精度。本文提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略集合了MRAS观测器稳态精度高和滑模观测器的动态响应好的优点，弥补单种算法造成的性能缺失。

附图说明：

以下附图用来增加对本发明的进一步了解，说明本发明技术方案的实施。

图1为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的流程示意图。

图2为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的控制框架示意图。

图3是本发明所用MRAS算法原理图。

图4是本发明所用滑模算法原理图。

图5是基于MRAS观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的转速仿真图。

图6是基于MRAS观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的转子速度估计误差仿真图。

图7是基于一阶线性滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的转速仿真图。

图8是基于一阶线性滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的速度估计误差仿真图。

图9为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的转速仿真图。

图10为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的速度估计误差仿真图。

图11为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的转子位置仿真图。

具体实施方法：

下面为增强对本发明有更深的理解，结合附图作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略是通过开关函数控制两个独立不干扰的观测器代替原有单一观测器的控制方法，将获得的转子位置信息提供给矢量控制。

如图2所示，本发明采用Id＝0的矢量控制作为框架，将观测器一和观测器二以一个开关函数选择观测器的转子位置，其中观测器一选用MRAS观测器，可以达到很高的稳态精度。观测器二选用滑模观测器，能够实现观测器的快速收敛和准确跟踪。此时无位置传感控制即具有滑模观测器良好的动态性能，又具有MRAS观测器的稳态精度，弥补了单一算法的不足。

如图3所示，MRAS观测器以电机数学模型作为参考模型，将参考模型输出与实际输出作差基于波波夫超稳定理论得到的自适应律处理，得到电机转子位置信息。但由于MRAS观测器以电机数学模型作为参考模型，因此MRAS观测器较为依赖电机参数，受电机参数变化干扰较大。

依照图3的MRAS原理搭建MRAS观测器，步骤如下：

步骤1，根据表贴式永磁同步电机在dq轴坐标系下的电机模型设计MRAS观测器的可调模型为

步骤2，基于波波夫超稳定理论，通过逆向的方法解出波波夫积分不等式以得到自适应律

步骤3，由自适应律和可调模型可得到观测转子位置信息为

如图4所示，滑模是一种变结构算法，滑模变结构算法会带来良好的动态性能，但因为变结构本身也会带来抖振问题，因此滑模的抖振可以说是滑模算法的固有问题，对滑模观测器基于抖振上的改进只能是削弱而不可能消除。

依照图4的滑模变结构理念搭建一阶线性滑模观测器，步骤如下：

步骤1，根据表贴式永磁同步电机在α-β坐标系下的状态方程

设计观测器为

步骤2，选取一阶线性滑模面

滑模控制率为

步骤3，为削弱抖振设置滤波器

并根据滤波器带来的延迟问题对角度进行补偿

通过对MRAS观测器和滑模观测器的性能分析，图2中的混合控制开关函数设计为

其中w₁,θ₁为MRAS观测器的观测速度和观测位置，w₂,θ₂为滑模观测器的观测速度和观测位置，为系统给定值，k略高于滑模观测器的抖振带带宽幅值的一半。

仿真结果如图5-11所示。

图5为基于MRAS观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的转速仿真图，速度从50r/min转上升到100r/min，再由100r/min上升到150r/min，可以看出观测器能够收敛且准确跟踪。

图6为图5相应的基于MRAS观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的转子速度估计误差仿真图，可以看出观测精度随着转速的升高误差逐渐变大，且在变速时的动态响应误差较大，响应时间较长。

图7为基于一阶线性滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的转速仿真图，速度从50r/min上升到100r/min，再由100r/min上升到150r/min。从图中可以看出观测器能够快速收敛且准确跟踪，较MRAS观测收敛快速，鲁棒性较强。

图8为图7相应基于一阶线性滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制的速度估计误差仿真图。从图中可以看出滑模观测器在变速过程中，准确跟踪，实际转速和观测转速误差始终保持在一定抖振带宽以内，但抖振带宽较大。

图9为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的转速仿真图。速度从50r/min在0.15S时变速至100r/min，可以看出通过开关函数作用效果明显，既有滑模良好的动态响应，又有MRAS观测器较好的稳态精度

图10为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的速度估计误差仿真图。较图5，在变速过程中，动态响应误差明显优化，较图8，在稳态时的速度误差明显减少。

图11为本发明提出的一种表贴式永磁同步电机无位置传感器控制混合策略的转子位置仿真图。可以看出转子位置追随性能良好。