一种新型双滑模观测器spmsm无传感器复合控制方法
阅读说明：本技术 一种新型双滑模观测器spmsm无传感器复合控制方法 (Novel SPMSM sensorless compound control method of double-sliding-mode observer ) 是由 彭思齐 蒋雨函 于 2020-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种新型双滑模观测器的永磁同步电机无传感器复合控制方法,本发明设计了两种滑模观测器,其一提供了一种新型指数型分段滑模函数对反电动势进行观测。其二设计了一种滑模观测器观测负载转矩对分段PI控制器进行参数微调,同时将估计负载转矩引入q轴进行前馈补偿。在q轴电流内环设计了二阶滑模控制器,提高了q轴电流的跟踪性能,间接控制电磁转矩。本发明所提供的新型指数型分段滑模函数,更有利于反电动势观测,削弱了系统抖振现象；负载滑模观测器观测负载转矩对分段PI控制器进行参数微调同时进行前馈补偿,提高系统带负载能力；二阶滑模控制器减小了转矩脉动。本发明在永磁同步电机的中高速域无传感器控制中具有优良的动稳态性能和广泛的应用价值。(The invention provides a novel sensorless compound control method for a permanent magnet synchronous motor of a double-sliding-mode observer, and designs two sliding-mode observers, wherein one of the sliding-mode observers provides a novel exponential segmented sliding-mode function to observe back electromotive force. And secondly, a sliding mode observer is designed to observe the load torque to carry out parameter fine adjustment on the segmented PI controller, and meanwhile, the estimated load torque is introduced into a q axis to carry out feedforward compensation. A second-order sliding mode controller is designed in the q-axis current inner ring, so that the tracking performance of the q-axis current is improved, and the electromagnetic torque is indirectly controlled. The novel exponential type segmented sliding mode function provided by the invention is more favorable for counter electromotive force observation, and the buffeting phenomenon of the system is weakened; the load sliding mode observer observes the load torque to carry out parameter fine adjustment on the segmented PI controller and feed-forward compensation at the same time, so that the load carrying capacity of the system is improved; the second order sliding mode controller reduces torque ripple. The invention has excellent dynamic and steady state performance and wide application value in the medium and high speed domain sensorless control of the permanent magnet synchronous motor.)
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种新型双滑模观测器的无传感器复合控制方法，具体涉及一种简单，易行，效果优良的新型双滑模观测器复合控制方法在永磁同步电机中高速域实现无传感器控制的系统模型。
背景技术
表贴式永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，SPMSM)，主要分为表贴式永磁同步电机(SPMSM)和内置永磁同步电机(IPMSM)。具有结构简单、体积小、高功率密度、高效率、易于维护的特点，并且其优越的调速性能使其在众多领域得到广泛应用，例如工业制造、智能机器人、新能源汽车等。随着永磁同步电机应用场合越来越广，对其控制性能的要求也越来越高。当前的众多学者主要集中研究电机的结构设计和电机的控制性能两个方面，良好的控制算法能够大大提高系统的性能，目前永磁同步电机常用的控制方法主要有矢量控制(FOC)和直接转矩控制(DTC)。矢量控制常用PI控制器实现双闭环控制，通过测量永磁同步电机定子电流矢量，再通过坐标变换，将电流矢量分解为励磁电流和转矩电流，间接控制永磁同步电机磁链和转矩，具有精度高，动稳态性能好的特点。直接转矩控制则常用bang-bang控制，直接控制永磁同步电机的磁链和转矩，省去了矢量控制中的坐标变换和电流控制，具有更好的快速性。
为实现永磁同步电机高性能双闭环矢量控制，其目的是获得实时的、精确的转速信息和转子位置信息，大多数是安装机械式传感器，如光电编码器。但是机械式传感器存在成本较高，易损坏，系统对其依赖性过高，工作环境恶劣性能差等问题。因此为了解决机械式传感器带来的诸多问题，通过算法估计转子位置和速度代替机械式传感器实现永磁同步电机双闭环矢量控制策略。因此永磁同步电机无传感器控制算法的研究成为了当代热潮。
要实现永磁同步电机无传感器，常通过两种方法：一种是基于信号注入，原理是利用电机的凸极率来估计转子位置，常用的有：脉振电压注入法、旋转高频电压注入法；另一种是用观测器观测动态模型中的反电动势来提取转子位置信息。根据永磁同步电机数学模型，可知反电动势与电角速度有关，因此只有在中高速时，反电动势才较为明显，有利于观测和提取，因此中高速域下常采用基于观测器的方法，目前成熟、常用的有滑模观测器法、模型参考自适应、卡尔曼滤波器等。相较于其他两种方法，滑模观测器法在无传感器控制系统中具有更显著的优势且发展更加成熟。然而传统滑模观测器存在抖振现象严重，带负载能力差的问题，导致整个系统控制性能不佳。因此提出动稳态性能更加优良，抖振现象更加小，带载能力更强的滑模观测器控制算法具有更加广泛的实际应用价值。
发明内容
本发明为解决永磁同步电机双闭环矢量控制过程中转速环和电流环PI控制器跟踪性能差，参数调节困难和传统滑模观测器存在抖振，带负载能力差的问题。
本发明提供了一种新型指数型分段滑模函数代替传统滑模观测器中的开关函数，转速外环提供了一种分段PI控制器，设计了滑模负载观测器观测负载转矩对分段PI控制器进行参数微调，同时将观测的负载转矩引入q轴进行前馈补偿，q轴电流内环提供了一种super-twisting 算法的二阶滑模控制器，本发明具有超调量小，抖振现象小，动稳态性能优越和具有良好的带载能力。
为解决以上技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种新型双滑模观测器的无传感器复合控制方法，其目的是削弱抖振现象，提高系统动稳态性能和带负载能力，其包括：
提出了一种新型指数型分段滑模函数对反电动势进行观测，新型指数型分段滑模函数表达式如下：
其中σ为边界层厚度，sαβ为滑模面。
该函数在边界层以外具有开关函数的饱和特性，在边界层处有小部分的阶跃特性，能够在保证不穿过滑模面的前提下加快系统趋近滑模面的速度，在边界层内部具有指数趋近律、连续性的特性，越接近滑模面时，趋近越缓慢，不易穿过滑模面，避免了系统收敛过程中沿着滑模面多次上下波动，因此能够很好的削弱抖振现象。采用李雅普诺夫稳定性判据对其进行稳定性分析：
设置滑模面为重构永磁同步电机电流状态方程：
将永磁同步电机数学模型与重构后的电流状态方程相减得到电流误差状态方程：
其中K为滑模增益；Rs，Ls分别为定子电阻和电感；iα,iβ，uα,uβ分别为静止坐标系下的定子电流和电压；eα,eβ分别为反电动势在α，β轴上的分量，we为电角速度，ψf为永磁体磁链,θe为电角度。
当时，即估计电流和实际电流相等时，反电动势可用新型指数型分段滑模函数进行观测，即：
根据Lyapunov稳定性判据对本发明所提的新型指数型分段滑模观测器进行稳定性分析，选取Lyapunov函数若满足条件系统渐近稳定在滑模面上且滑动模态存在，故有：
其中为负定矩阵，电感矩阵反电动势矩阵
因为若要满足只需满足求得只需满足滑模增益 K＞max(|eα,eβ|)即可。通过试错法选取较为准确的滑模增益K所设计的新型指数型分段滑模观测器满足Lyapunov稳定性判据，具有渐近稳定性。
考虑电机带负载运行过程中温度会升高，电感参数会随之减小，因此转速外环PI控制器的参数整定上会发生变化，为系统能够更好的适应空载运行和带载运行，本发明设计分段PI 控制器，以有无负载转矩作为判断条件，实现PI控制器参数微调。考虑实际应用过程中考虑负载的不可测性，本发明设计一种滑模观测器对负载转矩进行实时观测，实现分段PI参数微调和前馈补偿。负载滑模观测器的设计和Lyapunov稳定性分析如下：
根据永磁同步电机转矩动力状态方程进行重构，利用滑模观测器观测负载转矩，设计的滑模观测器方程：
其中滑模控制律为U＝-a1sign(sw)-a2sw；a1，a2为控制参数。
将永磁同步电机转矩动力状态方程和滑模观测器方程相减，得到转矩动力误差状态方程：
其中滑模面设置为机械角速度误差负载转矩误差 为估计机械角速度；J为转动惯量；Te为电磁转矩；为估计负载转矩；l为控制参数。根据Lyapunov 稳定性判据，选取Lyapunov函数系统需满足稳定性条件可得：
其中控制参数a1，a2，l整定过程分析如下：
(1)当机械角速度误差e1＞0时，只需满足可满足Lyapunov 稳定性判据。
①当e2＞0时，只需满足a2≥0。
②当e2＜0时，只需满足a2≥0。
(2)当机械角速度误差e1＜0时，只需满足可满足Lyapunov 稳定性判据。
①当e2＞0时，只需满足a2≥0。
②当e2＜0时，只需满足a2≥0。
因此设计的负载滑模观测器能够到达并稳定在滑模面上，根据等效控制原理即时，控制参数a1，a2的控制范围为a2≥0，在根据试错法进行微调，选取正确的a1， a2。稳定在滑模面后有求解后可得其中c为常数，当满足l＜0时，负载转矩误差以指数趋近速度收敛到0，即观测的负载转矩能够实时跟踪实际负载转矩。
综上所述，将估计的机械角速度和q轴反馈电流iq输入到设计的负载滑模观测器中，且根据所求控制参数的设置范围l＜0，a2≥0，再根据试错法调试正确的控制参数，从而实现对负载转矩的实时观测。
考虑PI控制器跟踪性能差，导致永磁同步电机双闭环矢量控制过程中转矩脉动大的问题。根据电磁转矩计算公式Te＝1.5pnψfiq，q轴电流iq和电磁转矩Te呈现线性关系。本发明在q轴设计二阶滑模控制器提高对q轴电流的跟踪性能，间接减小转矩脉动。本发明设置交轴电流滑模面为根据super-twisting算法的二阶滑模控制器的具体表达式，可设计q轴电流控制器为：其中Kp，Ki为设计参数，sign()为开关函数。
本发明提供的一种新型双滑模观测器SPMSM无传感器复合控制方法以一台永磁同步电机模型进行Matlab/simulink仿真验证，所述永磁同步电机参数为定子电阻Rs＝2.875Ω，定子电感Ls＝0.0085H，永磁体磁链ψf＝0.175，极对数p＝4，转动惯量J＝0.001N·M，且在0.2s时突加5N·M负载进行分析。
本发明有这样一些技术特征：
1、所述新型指数型分段滑模函数边界层厚度σ＝0.002，滑模增益系数K＝200。
2、所述负载滑模观测器参数设置a1＝10000，a2＝500。
3、所述super-twisting算法的二阶滑模控制器参数设置：Kp＝180，Ki＝20。
本发明的新型双滑模观测器的无传感器复合控制系统模型具有的有益效果：
1、提供了一种新型指数型分段滑模函数，削弱了抖振现象，更有利于反电动势的观测，提高了系统稳定性。
2、在转速外环提供了一种分段PI控制器，设计滑模观测器观测负载转矩对分段PI控制器进行参数微调，使其适应空载运行和突加负载两种不同的工况，同时将负载转矩引入q轴进行前馈补偿，提高了系统的带负载能力。
3、q轴电流内环提供了一种super-twisting算法的二阶滑模控制，提高了q轴电流跟踪性能，减小了转矩脉动。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1图1是本发明所提的新型双滑模观测器的PMSM复合控制方法原理框图。
图2图2是本发明所提的新型指数型分段滑模函数。
图3图3是本发明所提的新型指数型分段滑模观测器原理框图。
图4图4是本发明所提的分段PI控制器流程图。
图5图5(a)是本发明所提的新型双滑模观测器SPMSM无传感器复合控制方法的转速图。
图5图5(b)是传统滑模观测器SPMSM无传感器控制方法的转速图。
图6图6(a)是本发明所提的新型双滑模观测器SPMSM无传感器复合控制方法的转速误差图。
图6图6(b)是传统滑模观测器SPMSM无传感器控制方法的转速误差图。
图7图7(a)是本发明所提的新型双滑模观测器SPMSM无传感器复合控制方法的电磁转矩图。
图7图7(b)是传统滑模观测器SPMSM无传感器控制方法的电磁转矩图。
图8图8是本发明所提的新型双滑模观测器SPMSM无传感器复合控制方法的转子位置图。
图9图9是本发明所提的负载滑模观测器估计的负载转矩图
图10图10是本发明所提的负载滑模观测器估计的负载转矩和实际的负载转矩之间的负载转矩误差图。
具体实施方式
采样三相电流iabc、电压uabc，通过Clark变换得到静止坐标系下的电流iαβ，电压uαβ，对重构的电流状态方程进行积分运算后得到估计的电流值再与实际采样电流iαβ相减，得到电流误差值 作为本发明所提新型指数型分段滑模函数的输入再经过滑模增益K，通过低通滤波器滤除高次谐波得到估计的反电动势 此时 和输入到除法器中进行除法运算得到估计的电角度的正切值，再经过反正切函数运算得到估计的电角度值将和先求平方和再求平方根得到通过除法器除以永磁体磁链ψf得到估计的电角速度用估计的电角度值和估计的电角速度实现永磁同步电机双闭环矢量控制策略。
电机带负载运行过程中，电机温度会升高，电机电感参数会有很大的变化，单一的PI控制器很难使其适应空载和负载两种工况。本发明将估计的电角速度转化为估计的机械角速度后和反馈的q轴电流iq一起输入到本发明所设计的负载滑模观测器中得到估计的负载转矩将估计的负载转矩作为判断条件进行转速外环分段PI参数微调，具体实施流程如下：
(1)当估计的负载转矩小于所设误差容限ε时，采用空载运行的转速外环PI参数。
(2)当估计的负载转矩大于所设误差容限ε时，采用带载运行的转速外环PI参数。同时将估计的负载转矩输入的q轴进行前馈补偿。使其系统在突加负载的时候，转速突变小，响应快。提高了系统的抗负载能力。
通过转速外环分段PI控制器得到的估计q轴电流与反馈的同步旋转坐标系下q轴实际电流iq相减得到电流误差值将电流误差值输入到本发明所提二阶滑模控制器中得到估计的q轴电压
综上所述，本发明实施例，一种新型双滑模观测器复合控制方法在中高速域实现永磁同步电机无传感器控制。设计了一种新型指数型分段滑模函数，其具有边界层外具有开关函数的饱和特性，边界层处具有小部分阶跃特性，边界层内具有连续性和指数趋近律的特性，避免了在滑模面处多次上下波动，观测的反电动势更加精准。将估计的反电动势 通过反正切函数进行转子位置估计得到估计转子位置角和估计电角速度削弱了抖振现象，提高了精度。再将估计电角速度作为负载滑模观测器的输入，输出估计的负载转矩对分段PI 控制器进行参数微调，同时将估计的负载转矩引入q轴估计的q轴电流中进行前馈补偿，使其系统能够适应空载运行和突加负载两种工况，提高了系统抗负载能力。电流内环设计二阶滑模控制器提高q轴电流跟踪性能，间接控制电磁转矩，减小转矩脉动。
下面结合Matlab/simulink仿真图对本发明的应用效果作详细的描述：
对比图5图5(a)和图5图5(b)，本发明相对于传统滑模观测器转速图更加平滑，本发明能够很好的削弱抖振现象，在0.2s时突加5N·M负载时，本发明相对于传统滑模观测器，转速突降更小，且转速恢复更快，具有更好的带负载能力；对比图6图6(a)和图6图6(b)本发明的转速估计误差比传统滑模观测器的转速估计误差小，且转速估计误差近乎接近于0；对比图7图7(a) 和图7图7(b)，本发明相对于传统滑模观测器电磁转矩脉动更小；图9图9可以看出本发明设计的负载滑模观测器能够实时的观测实际负载转矩，观测效果准确，响应快；分析图10图10估计的负载转矩和实际的负载转矩误差接近于0。由这组仿真图可以看出，本发明所提的新型双滑模观测器SPMSM无传感器复合控制方法能够削弱抖振现象，具有更好的动稳态性能和带负载能力，从而证明了本发明的正确性和有效性。