阅读说明：本技术 一种表贴式永磁同步电机无传感器控制方法 (Surface-mounted permanent magnet synchronous motor sensorless control method ) 是由 彭思齐 贺旻逸 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种表贴式永磁同步电机无传感器控制方法,针对传统滑模控制所存在的抖动和谐波干扰等问题,提出一种滑模控制和基于自适应滤波器与正交锁相环相结合的滑模观测器相结合的控制方法。首先将滑模速度控制代替传统的PI控制来避免参数调节时出现的扰动,提高了电机运行时抗扰动性,一定程度提高了鲁棒性；接下来根据电机数学模型构建出滑模观测器,利用改进后的滑模观测器观测转子位置后使用自适应滤波器滤除反电动势中大量谐波,通过正交锁相环得到的信息进行自适应的调节带通截止频率,从而达到提高位置和转速的估计精度。(The invention discloses a sensorless control method of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor, and provides a control method combining sliding mode control and a sliding mode observer based on combination of an adaptive filter and an orthogonal phase-locked loop aiming at the problems of jitter, harmonic interference and the like in the traditional sliding mode control. Firstly, the sliding mode speed control replaces the traditional PI control to avoid disturbance during parameter adjustment, so that the disturbance resistance of the motor during operation is improved, and the robustness is improved to a certain extent; and then, a sliding mode observer is constructed according to a motor mathematical model, a large number of harmonic waves in back electromotive force are filtered by using an adaptive filter after the position of the rotor is observed by using the improved sliding mode observer, and the band-pass cut-off frequency is adaptively adjusted through information obtained by an orthogonal phase-locked loop, so that the estimation precision of the position and the rotating speed is improved.)

一种表贴式永磁同步电机无传感器控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于双滑模面的表贴式永磁同步电机矢量控制方法。

背景技术

永磁同步电机由于具有高转矩比、高效率及高功率密度等特点，被广泛应用于高性能调速系统中。工程中常常通过安装传感器获得电机转子速度及位置的准确消息，这不仅增大了系统的体积和成本，还降低系统的可靠性。因此，永磁同步电机无传感器控制技术的研究有着极其重要的意义。

近年来，滑模观测器因其具有计算简单、鲁棒性好、容易实现等特点而备受人们欢迎。但是传统的滑模观测器控制系统中抖振较大，同时由于低通滤波器的应用，会产生相位延迟问题。低速时传统的滑模观测器无传感器控制系统对转子转速估算不精确，所以在某些方面限制了传统滑模观测器在实际控制中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表贴式永磁同步电机无传感器控制方法，不仅大大滤除了转子转速和转子位置信息所存在的谐波，削弱了系统的抖振，还提高了对转速及位置信息估计的准确精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种表贴式永磁同步电机无传感器控制方法，具体包括如下步骤：

(1)建立基于在αβ坐标下的滑模速度控制表达式；

(2)根据表贴式永磁同步电机在αβ坐标下的数学模型，以定子电流的观测误差作为滑模面，列写滑模电流观测器方程；

(3)由于反电动势包含大量的谐波和抖振，会严重影响转子速度和位置估计的准确性，提出用一种自适应同步滤波器将其滤除；

(4)传统的滑模观测器得到的转速和转子位置信息中包含有大量谐波及抖振，通过正交锁相环从而得到更加精确抖振更小的转速和转子位置。

SPMSM在定子两相静止αβ坐标系的电压方程为：

并经过坐标转换得到转子两相旋转dq坐标系的方程为：

式中,u_α，u_β，u_d，u_q分别为定子电压αβ轴以及dq轴分量；i_α，i_β，i_d，i_q分别为电子电流αβ轴以及dq轴分量；R，L_d分别为定子电阻、电感；ω为转子转速；θ为转子位置；ψ_f为转子永磁磁链；p为微分算子。

将滑模速度控制与基于自适应滤波器和正交锁相环的滑模观测器相结合，其特征在于:所述的滑模控制器模块的速度控制器的输入为外界速度给定和来自滑模观测器模块中正交锁相环模块输出的永磁同步电机转子速度信号，转速误差经过滑模面函数及其趋近律的计算，计算得出的交轴电流给定信号作为速度控制器模块的输出；而后面所述的滑模观测器模块的输入为两相静止坐标下的永磁同步电机的定子电压和电流，输出两相静止坐标系下的反电动势估算值到自适应滤波器模块进行滤波，再输出到正交锁相环模块后输出永磁同步电机的转子位置和速度估算值。

为了便于滑模观测器的设计将(2)式进一步变化为：

其中J为转动惯量。

定义滑模面函数为：

s＝cx₁+x₂ (4)

其中：c＞0为待设计参数。对式(10)求导可得：

相对传统的符号函数sgn(x)，这里选用sigmoid(x)进行代替，其定义为：

从而得到控制器的表达式为：

基于自适应滤波器和正交锁相环的滑模观测器部分又由如下几部分构成：改进滑模观测器法、自适应滤波器、正交锁相环。

首先，基于永磁同步电机数学模型，构造滑模电流观测器，得到反电动势(z_α,z_β)。

其次，自适应同步滤波器根据锁相环反馈的位置信号自适应地滤除反电动势中的谐波和抖振，并同步输出基波反电动势

最后，正交锁相环根据基波反电动势和基波转速ω₀ ^*，计算出转子位置和速度。

可将滑模观测器设计如下：

其中k为反馈增益。

自适应滤波器不同于普通的低通滤波器它能在同步的情况下，随着估计的电机转速的变化，滤波器自适应地提取反电动势的基波成分。

其中最重要的是给定一个值为：

b₁(t)＝δsin(ω₀t)[∫e(t)sin(ω₀t)dt] (10)

而正交锁相环为避开传统的滑模观测器中的反正切函数算法而带来的误差进行归一化处理从而达到减小误转速和位置信息误差的效果，并且输入一个基波转速来提高系统的响应速度。

其中定义如下：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

传统PI控制在当控制系统受到外界干扰时，抗扰动性较差，并且在基于正切函数的传统滑模观测器下得到的转速和转子位置信息存在着大量谐波和抖振，并且存在着较大的相位延迟。本发明基于双滑模面的表贴式永磁同步电机矢量控制方法，即将滑模速度控制与基于自适应滤波器和正交锁相环的滑模观测器相结合，首先将滑模速度控制代替传统的PI控制来避免参数调节时可能出现的扰动，提高了电机运行时抗扰动性，一定程度提高了鲁棒性首先根据电机数学模型构建出滑模观测器；然后利用改进后的滑模感测器观测转子位置后使用自适应滤波器滤除反电动势中大量谐波，利用正交锁相环根据得到的信息进行自适应的调节带通截止频率，从而达到提高位置和转速的估计精度。

附图说明

图1为基于双滑模面的表贴式永磁同步电机无传感器控制系统结构框图。

图2为自适应滤波器框图。

图3为正交锁相环框图。

图4为基波转速提取框图。

图5为改进的滑模观测器图。

图6为传统滑模观测器下速度和位置的波形图。

图7为本发明控制方法下速度和位置的波形图

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，基于双滑模面的表贴式永磁同步电机控制系统的框图其包括了SPMSM(表贴式永磁同步电机)、三相逆变模块、SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块、矢量控制模块、滑模速度控制器模块、滑模观测器模块、自适应滤波器模块、正交锁相环模块。

具体控制过程为：电机给定转速ω_ref与改进滑模观测器输出的ω作为滑模控制器的输入，经过滑模控制器中滑模面函数的计算，计算结果依次传入到下一个模块；经过矢量变换等模块后得到两相电压和电流u_α，u_β，i_α，i_β输入到滑模观测器中得到反电动势(z_α,z_β)，而此时反电动势包含着转子转速和转子位置信息，但同时包含着大量的谐波以及抖振；接下来输入到自适应滤波器中进行滤除谐波，同时将得到的结果输出到正交锁相环，最后得到转子位置为转速闭环提供ω。

如图2所示，自适应滤波器框图。

图中输入信号为x(t)，输出信号为 为正交锁相环计算的转子位置，并且

其中该自适应同步滤波器的闭环传递函数为：

由(11)式可得其闭环特征方程为：

根据劳斯-赫尔维茨稳定判据，该滤波器稳定的充分必要条件为:

因此只要满足条件式(13)，滤波器在全速范围内(除静止状态)是稳定的。

从图2的结构框图可以看出，滤波器以锁相环计算的位置信号为参考自适应地滤除反电动势的谐波和抖振，并输出基波反电动势，同时，锁相环又根据基波反电动势计算转子位置。

如图3所示，正交锁相环框图在普通锁相环基础上加入了一个基波转速

将从自适应滤波器中得到的含有谐波成分的反电动势定义为：

将反电动势进行归一化处理得到传递函数为：

式中，k_p是锁相环比例增益；k_i为积分增益。

如图4所示，基波转速提取框图。通过对反电动势进行两级低通滤波，并通过式(15)计算出其表达式为：

式中，ψ_f为转子永磁体的磁通；分别为反电动势(z_α,z_β)经过两级低通滤波器后的反电动势，其抖振小，但是幅值比较低。

如图5所示，为改进的滑模观测器框图，其不同于传统的滑模观测器在于将滑模观测器与自适应滤波器和正交锁相环相结合，从而达到消除大部分谐波和抖振，提高估算精确的效果。

如图6为当电机给定速度值为1000rad/s时传统滑模观测器无传感器控制方法下的波形图：(a)为转速实际值和估计值，(b)为转子位置的实际值与估计值。图7为当电机给定速度值为1000rad/s时本发明控制方法下的波形图：(a)为转速实际值和估计值，(b)为转子位置的实际值与估计值。通过从图6和图7中转速和转子位置的波形图可发现，相对于传统滑模观测器无传感器控制方法，本发明所提出的控制方法不仅大大滤除了转子转速和转子位置信息所存在的谐波，削弱了系统的抖振，还提高了对转速及位置信息估计的准确精度。