阅读说明：本技术 一种自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法 (Speed sensorless control method of self-adaptive sliding mode gain permanent magnet synchronous motor ) 是由 申永鹏 王延峰 叶晨光 胡智宏 刘普 杨小亮 张志艳 邱洪波 赵俊 杜海明 武洁 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法,包括以下步骤：采集被测电机的三相定子电流,分别为<Image he="46" wi="30" file="DEST_PATH_IMAGE002.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>、<Image he="42" wi="28" file="DEST_PATH_IMAGE004.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>、<Image he="39" wi="27" file="DEST_PATH_IMAGE006.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>；并通过Clark变换得到测量电流<Image he="43" wi="27" file="DEST_PATH_IMAGE008.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>、<Image he="45" wi="31" file="DEST_PATH_IMAGE010.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>；利用电机数学模型计算出观测电流值<Image he="51" wi="39" file="DEST_PATH_IMAGE012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>、<Image he="47" wi="35" file="DEST_PATH_IMAGE014.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>,计算滑模增益自适应率K,并将滑模增益自适应率应用到S2中的电机数学模型中用来校正测量电流值和观测电流值之间的电流误差值<Image he="37" wi="27" file="DEST_PATH_IMAGE016.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>,使其逐渐接近于零。本发明专利采用的自适应滑模增益观测器可以使被测电机实时地配置自适应增益因子,更好的改善滑模抖振现象,提高了观测精度；同时自适应滑模增益观测器得到的电流曲线更加平滑,抖振含量较少,运行更加稳定。(The invention discloses a speed sensorless control method of a self-adaptive sliding mode gain permanent magnet synchronous motor, which comprises the following steps of: collecting three-phase stator currents of a tested motor respectively 、 、 (ii) a And obtaining the measured current by Clark transformation 、 (ii) a Calculating the observed current value by using a motor mathematical model 、 Calculating a sliding mode gain adaptation rate K, and applying the sliding mode gain adaptation rate to the mathematical model of the motor in S2 for correcting the current error value between the measured current value and the observed current value Gradually approaching zero. The adaptive sliding mode gain observer adopted by the invention can enable a measured motor to be configured with an adaptive gain factor in real time, better improve the phenomenon of sliding mode buffeting and improve the observation precision; meanwhile, a current curve obtained by the adaptive sliding mode gain observer is smoother, buffeting content is less, and operation is more stable.)

一种自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机自适应滑模观测器控制方法是现有永磁同步电机控制中非常普遍的一种使用方法。滑模观测器是根据系统的外部变量(输入变量和输出变量)的实测值得出状态变量估计值的一类动态系统，也称为状态重构器。滑模观测器不但为状态反馈的技术实现提供了实际可能性，而且在控制工程的许多方面也得到了实际应用。滑模观测器通过测量实际系统的输入输出，可以得到给定系统内部状态的估计值。滑模观测器使用非线性高增益反馈迫使估计状态逼近超平面，使估计输出等同于测量输出。通过搭建永磁同步电机自适应滑模观测器控制实验平台，根据电机在不同的工况下运行，采集、分析相关数据，测试此控制系统性能。如图1所示，传统的自适应滑模观测器控制方法由电机的测量电流输出环节、电机模型估算出的观测电流输出环节以及滑模自适应控制部分组成，并通过闭环方式将误差值反馈至电机模型中。现有的永磁同步电机自适应滑模观测器控制方法存在一下缺点：1、滑模观测控制系统中存在的滑模抖振较大；2、相电流输出不稳定，相电流曲线峰值周围存在锯齿状波形；3、滑模观测器的观测精度较低；4、在整个系统中采用的是固定的自适应因子，然而，没有利用自适应滑模增益使自适应因子根据控制系统的变化而变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更好改善滑模抖振现象，提高观测精度的自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法，包括以下步骤：S1、通过电流传感器采集被测电机的三相定子电流，分别为i_a、i_b、i_c；并将三相定子电流通过Clark变换得到测量电流i_α、i_β；最后输出其测量电流；

S2、利用电机数学模型计算出观测电流值i_α ^*、i_β ^*，

S3、计算滑模增益自适应率K，并将滑模增益自适应率应用到S2中的电机数学模型中用来校正测量电流值和观测电流值之间的电流误差值δ，使其逐渐接近于零。

进一步的，S2中所述电机数学模型公式为：其中i_α ^*、i_β ^*分别为观测电流分量，

分别为反电动势分量，Z_α、Z_β为滑模控制器的输出校正因子分量，R为定子电阻，L为定子电感，u_α、u_β为α、β坐标系上的定子电压；利用电机数学模型估算出其中的观测电流值i_α ^*、i_β ^*，然后将自适应增益因子反馈至电机模型中，判断测量电流和观测电流的差值大小，并通过自适应增益因子来校正测量电流和观测电流的差值，使其逐渐接近于零，使观测电流更加接近测量电流。

进一步的，S3中计算滑模增益自适应率K时需要滑模观测器控制，当采用滑模观测器控制时，观测到电机电流在采样频率周期中输出波形出现很大的波纹抖振，此抖振即是永磁同步电机运行时观测电流和测量电流之间存在的真实误差δ，公式为

为了克服该控制系统中存在的电流误差，通过引入滑模增益自适应因子，利用输出误差来驱动自适应结构，得出滑模增益自适应率K，根据公式

使电流输出误差随着自适应率变化而变化。在自适应率的作用下能够不断修正待估计参数，使滑模观测模型输出误差趋向于零。

从本质上看，恒值的边界层厚度是导致饱和函数性能不佳的根本原因。因此，要提高饱和函数控制性能，必须寻求一个连续可变的自适应系数来控制函数的变化，使边界层厚度能随着系统状态轨迹的收敛而变窄，最终与切换面重合，达到系统轨迹渐近收敛到所给定的切换平面上的目的。控制函数在不断变化时，它与横坐标轴之间有一个接近角，接近角是系统状态轨迹与切换平面之间的夹角，它随着状态轨迹接近切换平面而减小，因此接近角是衡量状态轨迹收敛程度最直观的变量，所以将接近角作为函数变化的自适应系数，构造出边界层厚度函数。

通过计算测量电流的有效值，进而找出电流有效值、电流误差值和自适应因子之间存在的内在关系，得出滑模增益自适应率，从而有效降低控制系统中电流存在的误差量。

S3中滑模自适应率K的计算公式为

其中

为整个周期数内的电流有效值。其中r为函数关系式的自适应率系数。利用电流误差值(δ)和电流有效值之间存在的变化关系，确定系数r的值，使自适应率一直控制在固定范围内，从而有效克服测量电流与观测电流之间的误差，使整个滑模控制系统处于稳定精准的观测状态。

进一步的，所述整个周期数内的电流有效值

的计算公式为：

其中 _j为数据样本指数；p为周期循环次数；M为滤波后同步信号定义的周期中采样数；M_p为循环数中采样点的个数；m为起始采样点指数；_mp为循环次数的起始采样点指数；N为周期数(由选定的同步源信号定义)；为每个周期内的电流有效值。

不同工况下的相电流有效值

可以根据上述公式并在仿真过程中使永磁同步电机在不同的工况下运行，从而求出。

本发明通过利用测量电流和观测电流之间的电流误差值，引入滑模增益自适应因子，得出滑模增益自适应率K，进而自适应增益因子可以跟随控制系统中电流误差的大小而变化，能够更好的使电流误差变小，趋近于零，使测量电流更加接近实际电流，更好的改善滑模抖振现象。

本发明方法具有以下优点：

一、相比较于传统的滑模观测器控制方法。本发明专利采用的自适应滑模增益观测器可以使被测电机实时地配置自适应增益因子，更好的改善滑模抖振现象，提高了观测精度。

二、与传统滑模观测器相比，自适应滑模增益观测器得到的电流曲线更加平滑，抖振含量较少，运行更加稳定。

附图说明

图1为传统永磁同步电机自适应滑模观测器控制结构示意图；

图2为本发明自适应滑膜增益永磁同步电机无速度传感器控制设计图；

图3为本发明控制流程图；

图4为转速1500r/min时定子电流波形；

图5为转速1500r/min稳态转速下实际转速与观测转速波形变化；

图6为转速1500r/min时转子位置波形及误差。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种自适应滑模增益永磁同步电机无速度传感器控制方法。包括：电机的测量电流输出环节、电机模型估算出的观测电流输出环节以及自适应滑模增益控制部分组成，为了使测量电流和观测电流相匹配，通过闭环方式将误差值反馈至电机模型中，从而校正电流误差值。具体方案实施如下：

S1、电机的测量电流输出环节。通过电流传感器采集被测电机的三相定子电流，分别为i_a、i_b、i_c；并将三相定子电流通过Clark变换得到测量电流i_α、i_β；最后输出其测量电流；

S2、电机模型估算出的观测电流输出环节。利用电机数学模型计算出观测电流值i_α ^*、i_β ^*，

电机数学模型公式为：其中i_α ^*、i_β ^*分别为观测电流分量，

分别为反电动势分量，Z_α、Z_β为滑模控制器的输出校正因子分量，R为定子电阻，L为定子电感，u_α、u_β为α、β坐标系上的定子电压；

公式中可知，通过滑模增益自适应率K将自适应增益因子反馈至电机模型中，判断测量电流和观测电流的差值大小，并通过自适应增益因子来校正测量电流和观测电流的差值，使其逐渐接近于零。

S3、自适应滑模增益控制。计算滑模增益自适应率K，计算时使用滑模观测器控制，公式为其中为整个周期数内的电流有效值，其中r为函数关系式的自适应率系数。利用电流误差值(δ)和电流有效值之间存在的变化关系，确定系数r的值，使自适应率一直控制在固定范围内，从而有效克服测量电流与观测电流之间的误差，使整个滑模控制系统处于稳定精准的观测状态。

所述整个周期数内的电流有效值的计算公式为：

其中j为数据样本指数；p为周期循环次数；M为滤波后同步信号定义的周期中采样数；M_p为循环数中采样点的个数；m为起始采样点指数；m_p为循环次数的起始采样点指数；N为周期数(由选定的同步源信号定义)；

为每个周期内的电流有效值。

计算出滑模增益自适应率K之后，通过公式

将滑模增益自适应率应用到S2中的电机数学模型中用来校正测量电流值和观测电流值之间的电流误差值δ，使其逐渐接近于零。此时滑模增益因子可以根据控制系统搞得变化而变化，不在是固定不变，更好的提高了系统的观测精度。

如图3所示为本发明具体的控制流程图，其中在实施图2中的步骤之前在计算机输入界面中输入电机的定子电压值，计算机将电子电压数值发送给电机控制器，控制器驱动电机运转并通过电流传感器得出测量电流值。

为验证所提出的基于自适应滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器控制系统，采用本发明方法，根据控制系统搭建仿真模型，其中所采用的PMSM主要规格参数如表1所示。

表1永磁同步电机规格参数

实验结果：

如图4所示在1500r/min转速下，利用自适应滑模增益观测器和传统滑模观测器得出的A相定子电流波形。由仿真结果可知，在一定的转速下，自适应滑模增益观测器得出的仿真波形存在的抖振幅值较小，有效的削弱了其抖振的存在。

如图5所示在1500r/min转速下利用自适应滑模增益观测器和传统滑模观测器得出的在稳态时电机转速波形。通过对比可知，传统滑模观测器得到的转速误差至少为8r/min，自适应滑模增益观测器得到的转速误差为5r/min，同时，自适应滑模增益观测器得到的转速曲线抖振含量更少，具有更高的观测精度。

如图6所示为转速在1500r/min利用自适应滑模增益观测器和传统滑模观测器得出的目标转子位置、观测转子位置以及转子位置误差波形。通过波形对比发现，传统滑模观测器的观测转子位置抖振幅值和转子位置误差较大，自适应滑模增益观测器有效的改善了观测精度，削弱了抖振幅值并减小了转子位置误差，具有良好的动态性能。