[发明专利]一种基于自适应滑模观测器无位置传感器永磁同步电机控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应滑模观测器无位置传感器永磁同步电机控制方法，该方法包括如下步骤：首先建立永磁同步电机数学模型；其次设计自适应滑模观测器，采用连续、光滑、严格单调的sigmoid阈值函数代替传统滑模观测器中的sgn符号函数，削弱传统滑模观测器引起的系统抖振；然后设计一个反电势自适应估计环节代替传统的低通滤波器，提高反电势估计精度；最后采用锁相环技术实现转子位置和转速的估计，降低电机转子位置角与转速估计误差，最终实现永磁同步电机无位置传感器高精度控制。

技术领域

本发明涉及一种基于自适应滑模观测器无位置传感器永磁同步电机控制方法，用于估计永磁同步电机转子的位置和速度信息，实现无位置传感器的永磁同步电机高精度控制，属于永磁同步电机控制领域。

背景技术

随着稀土永磁材料制造工艺的不断提高，永磁同步电机的发展得到了大幅度的提高，使其具有形体轻小、功率密度大、工作效率高等优点。目前，永磁同步电机广泛应用于军事、航天、工业、民用等诸多领域。永磁同步电机控制系统是一个多变量、非线性、强耦合系统。i_d＝0的矢量控制策略是一种非线性解耦控制方法，自问世以来便受到大量研究学者的青睐。实现永磁同步电机矢量控制的关键在于实时获得电机转子的位置和速度信息。传统的获取方法是与电机转子同轴安装机械式传感器(磁编码器、光电编码器、旋转变压器等)，但是存在电机体积大、成本高、引线多以及对环境要求高等问题。因此，无位置传感器永磁同步电机控制算法的研究具有重要意义。

为了解决上述问题，研究学者提出了多种无位置传感器永磁同步电机控制方法，主要包括全/降阶状态观测器、模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波器、滑模观测器等方法。由于滑模观测器自身工作机制会给闭环控制系统带来抖振问题，怎么消除和削弱系统抖振成为一个研究难题。目前的改进策略有扩展滑模观测器，该方法能够实现能直接观测电机的反电势，避免了从开关函数提取反电势引起的系统抖振问题，但是该方法使得观测器结构变得极为复杂；高阶滑模观测器，该方法可以实现电机转子位置和转速估计，但是该方法设计相当复杂，工程应用比较难。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，发明了一种基于自适应滑模观测器无位置传感器永磁同步电机控制方法。通过函数替换、自适应算法和锁相环技术削弱了传统滑模观测器引起的系统抖振，提高了电机反电势估计精度，实现了永磁同步电机无位置传感器高精度控制。

本发明的技术解决方案是：一种基于自适应滑模观测器无位置传感器永磁同步电机控制方法，首先建立永磁同步电机数学模型；其次设计自适应滑模观测器，采用连续、光滑、严格单调的sigmoid阈值函数代替传统滑模观测器中的sgn符号函数，削弱传统滑模观测器引起的系统抖振；然后设计一个反电势自适应估计环节代替传统的低通滤波器，提高反电势估计精度；最后采用锁相环技术实现转子位置和转速的估计，降低电机转子位置角与转速估计误差，最终实现永磁同步电机无位置传感器高精度控制。本发明的具体步骤如下：

(1)永磁同步电机数学模型建立

对于表贴式永磁同步电机，在α-β静止坐标系下电压状态方程为：

式中，u_α、u_β分别为定子电压在α-β轴分量；i_α、i_β分别为定子电流在α-β轴分量；p表示微分算子；L_d、L_q分别为电机d-q旋转坐标系下定子电感分量；R为定子电阻；E_α、E_β分别为扩展反电动势在α-β轴上的分量。

(2)自适应滑模观测器设计

将步骤(1)中的电压状态方程改写为电流的形式：

式中，L_s＝L_d＝L_q为d-q轴电感等效值。