一种基于自适应增益滑模观测器的PMLSM无传感器控制方法

摘要

本发明公开了一种基于自适应增益滑模观测器的PMLSM无传感器控制方法，属于直线电机控制技术领域。为了获得直线电机的控制信号，本发明设计一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法能够在永磁同步直线电机控制系统存在参数摄动、负载扰动情况下实现对直线电机反电动势以及动子速度和磁极位置的快速、准确估计，能够有效提高系统的抗干扰能力，并通过更改滑模开关函数、改进滑模面、设计自适应增益的方法削弱滑模观测器的固有缺陷抖振，提高了系统的可靠性。

权利要求

1.一种基于自适应增益滑模观测器的PMLSM无传感器控制方法，其特征在于，利用自适应增益滑模观测器，提供一种无传感器控制方法以实现永磁同步直线电机的高速高精度位置控制，具体包括如下步骤：步骤(1)：利用电流、电压检测和转换模块获得α-β坐标下的等效电压uα、uβ；利用电流互感器测量永磁同步直线电机的三相电流ia、ib、ic，并进行Clark变换，转换为α-β坐标下的等效电流iα、iβ，利用万用表测量永磁同步直线电机的三相电压并进行Clark变换，转换为α-β坐标下的等效电压uα、uβ；

步骤(2)：根据步骤(1)中的α-β坐标系下的等效电流iα、iβ以及α-β坐标下的等效电压uα、uβ结合自适应算法构造自适应滑模观测器，由滑模观测器输出反电动势观测值所述步骤(2)中构造的滑模观测器是针对实际的非线性系统中存在参数不确定性、外部扰动和系统摄动情况而设计的自适应增益滑模观测器，具体观测器模型为：其中， 分别为α-β坐标系下的等效电流估计值，Rs为永磁同步直线电机的绕组电阻，Ls为永磁同步直线电机绕组电感，Kα(t)、Kβ(t)分别为α、β相的自适应增益，σα、σβ分别为α、β相电流估计值与实际电流测量值的偏差；

其中，滑模观测器的滑模面Sα、Sβ由下式确定：

其中，滑模观测器选择F(σα)、F(σβ)sigmoid函数为α-β坐标系下的开关信号，表达式由式(3)确定：步骤(3)：利用步骤(2)中的α-β坐标系下的反电动势观测值 实现对电机动子速度和电机磁极位置的估计，得到动子移动速度估计值 和电机磁极位置估计值步骤(4)：根据步骤(3)中的动子移动速度估计值 和电机磁极位置估计值 利用目标给定值、电流、电压坐标转换模块和电流、电压调节器，最终获得α-β坐标系下的等效电压控制给定值 和 并对所述等效电压控制给定值 和 进行空间矢量脉宽调制，产生SVPWM信号，利用上述信号控制三相逆变器产生三相电压，进而控制永磁同步直线电机的运行。

2.根据权利要求1所述的基于自适应增益滑模观测器的PMLSM无传感器控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中的滑模观测器增益Kα(t)、Kβ(t)，根据外界状态的变化而自行调整，并保证其值实时处于最优增益状态，从而获得更好的控制效果，以α-β坐标系下的α相为例，其算法实现如下：如果|σα|＞ε＞0，则Kα(t)为 的解，

其中， Kα(0)＞0；

如果|σα|≤ε，Kα(t)满足：

其中， τ＞0，是|σα|≤ε刚切换到|σα|≤ε时刻的值。

说明书

一种基于自适应增益滑模观测器的PMLSM无传感器控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法，属于直线电机控制技术领域。

背景技术

[0002] 现代工业的发展对直线运动的加速度和速度要求越来越高，传统的旋转电机配合滚轴丝杠的传动结构使得系统整体刚度降低，中间传动环节也将导致系统的鲁棒性降低，伺服性能下降。而直线电机能将电能直接转换为直线运动，不需要任何中间环节，克服了以上缺点，目前广泛应用于数控机床、磁悬浮列车上，与旋转电机相比其速度也提高数十倍。

[0003] 基于永磁同步直线电机的控制系统需要获得电机的动子位置和速度信号，目前应用比较普遍的位置传感器有直线编码器和光栅传感器等装置，这些装置的使用不但增加了系统的体积和成本，也影响了系统的可靠性，限制了永磁同步直线电机的应用场合。无传感器的控制方法利用容易检测的电压、电流信号结合电机数学模型，对位置和速度进行估计的方法，逐渐成为直线电机控制领域的一个研究热点，尤其在电机的中高速运行场合。基于滑模观测器的无传感器控制方法得到了广泛的应用。

[0004] 在具有系统参数摄动、负载扰动等复杂系统中，传统的滑模观测器的快速性和抗干扰能力都受到很大的影响，控制系统的精度和速度随之变差。为了满足数控技术的高精度、高速度的伺服系统性能要求，需要设计出适用于永磁同步直线电机的高速度、高精度和强鲁棒性的控制方法，所以本发明提出了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法，目的在于使控制系统在具有参数摄动、负载扰动等复杂系统的情况下也能实现对永磁同步直线电机反电动势、动子位置和速度的快速、准确估计，并能有效地提高系统的抗干扰能力。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提出了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法，利用自适应增益滑模观测器，提供一种无传感器控制方法以实现永磁同步直线电机的高速高精度位置控制，具体包括以下步骤。

[0007] 步骤(1)：利用电流、电压检测和转换模块获得α-β坐标下的等效电压uα、uβ，利用电流互感器测量永磁同步直线电机的三相电流ia、ib、ic，并进行Clark变换，转换为α-β坐标下的等效电流iα、iβ，利用万用表测量永磁同步直线电机的三相电压并进行Clark变换，转换为α-β坐标下的等效电压uα、uβ。

[0008] 步骤(2)：根据步骤(1)中的α-β坐标系下的等效电流iα、iβ以及α-β坐标下的等效电压uα、uβ构造滑模观测器，由其输出α-β坐标系下的反电动势观测值

[0009] 步骤(3)：利用步骤(2)中的α-β坐标系下的反电动势观测值 实现对动子速度和电机磁极位置的估计，进而得到动子速度估计值 和电机磁极位置估计值

[0010] 步骤(4)：根据步骤(3)中的动子移动速度估计值 和电机磁极位置估计值 利用目标给定值、电流、电压坐标转换模块和电流、电压调节器，最终获得α-β坐标系下的等效电压控制给定值 和 将电机动子移动速度估计值 与速度目标值v*进行比较得到的差值e再利用PID控制器进行速度调节，从而获得d-q坐标系q轴电流的给定值iqref，将q轴给定电流值iqref与q轴实际输出电流值iq进行比较，其差值用q轴电流调节处理，产生q轴电压输出值 将d轴电流给定值idref与d轴实际输出电流值id进行比较，其差值用d轴电流调节处理，产生d轴电压输出值 将上述d-q坐标系下的电压输出值 和 进行Park逆变换处理，从而产生α-β坐标系下的等效电压控制给定 和 对所述等效电压控制给定值 和 进行空间矢量脉宽调制，产生SVPWM信号，利用上述信号使三相逆变器产生三相电压，进而控制永磁同步直线电机的运行。

[0011] 作为本发明的一种优化方法：所述步骤(2)中构造的滑模观测器是针对实际的非线性系统中存在参数不确定性、外部扰动和系统摄动等情况而设计的自适应增益滑模观测器。其具体模型为式(1)所示。

[0012]

[0013] 其中， 分别为α-β坐标系下的等效电流估计值，Rs为永磁同步直线电机的绕组电阻，Ls为永磁同步直线电机绕组电感，Kα(t)、Kβ(t)分别为α、β相的自适应增益，Kα(0)＞0，σα、σβ分 别 为α、β相电 流估 计 值与 实际 电 流 测量 值的 偏 差 ，是|σα|＞ε＞0刚切换到|σα|≤ε那一时刻的值， 是|σβ|＞ε＞0刚切换到|σβ|≤ε那一时刻的值。

[0014] 进一步，为更加符合实际情况，所述步骤(2)中设计的滑模观测器的滑模面Sα、Sβ由式(2)确定。

[0015]

[0016] 进一步，所述步骤(2)中滑模观测器选择 函数为α-β坐标系下的开关信号，表达式由式(3)确定。

[0017]

[0018] 使用这种形式的开关函数能最大程度的减弱抖振，提高控制精度，改善系统性能。

[0019] 进一步，所述步骤(2)中α-β坐标系下的反电动势观测值 分别从开关信号Fα、Fβ与自适应增益的乘积中获得，并可通过滤波去除部分噪声信号，其计算如式(4)所示。

[0020]

[0021] 其中，eα,eβ为电机反电动势、 为永磁体磁链、τ为直线电机极距。

[0022] 作为本发明的一种优化方法：所述步骤(2)中设计的滑模观测器增益Kα(t)、Kβ(t)，可根据外界状态的变化而自行调整，尽可能保证实时处于最优增益状态，从而获得更好的控制效果。以α相为例，其算法实现如下。

[0023] 如果|σα|＞ε＞0，则Kα(t)为 的解。

[0024] 其中， Kα(0)＞0，σα为电流估计值与实际电流测量值的偏差值。

[0025] 如果|σα|≤ε，Kα(t)满足

[0026]

[0027] 其中， tα*是|σα|＞ε＞0刚切换到|σα|≤ε那一时刻的值。

[0028] 本发明提出的基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法中，所述步骤(3)包括如下具体步骤。

[0029] 步骤(3-1):将权利要求5中获得的反电动势观测值 进行一阶滤波。

[0030] 步骤(3-2):由于磁极位置和反电动势有如下关系。

[0031]

[0032] 可将磁极的周期分为8份，进而判断当前所获得的反电动势所处的位置。

[0033] 步骤(3-3):利用获得的比值k，结合当前反电动势所处的位置，利用反正切公式，求出磁极位置的估计值

[0034] 本发明与现有技术相比具有如下优点。

[0035] 1.本发明中提出的自适应增益滑模观测器选择sigmoid函数作为开关函数，相比于传统滑模观测器的开关函数，能很大程度上削弱抖振情况，获得效果良好的反电动势估计值，进而提高电机位置估计精度。

[0036] 2.本发明所提出的自适应增益滑模观测器优于传统的滑模观测器，其增益采用先进的自适应算法实现，可根据实际系统的情况实时改变开关增益，对于具有系统扰动和参数摄动等不确定性因素的系统有很好的鲁棒性，因此可以更好地应用于永磁同步直线电机的无传感器控制。

附图说明

[0037] 图1是本发明的结构原理框图。

[0038] 图2是自适应增益滑模观测器结构框图。

[0039] 图3是本发明中自适应增益滑模观测器计算坐标系下反电动势观测值 的原理框图。

[0040] 图4是本发明中自适应增益滑模观测器计算α-β坐标系下反电动势观测值 的原理框图。

[0041] 图5是本发明中自适应增益滑模观测器中自适应增益算法的流程框图。

[0042] 图6是利用本发明自适应增益滑模观测器及其他模块估算永磁同步直线电机磁极位置的原理框图。

[0043] 图7是系统存在参数摄动和负载扰动时，本发明中磁极位置估算模块输出的电机磁极位置估计值 与电机实际磁极位置θ的比较示意图。

[0044] 图8是系统存在参数摄动和负载扰动时，利用本发明中的自适应增益滑模观测器输出的反电动势观测器 波形图。

具体实施方式

[0045] 下面结合附图对本发明的优选实施例做进一步的详细说明。

[0046] 图1为本发明的结构原理框图。如图所示，在本实施例中，本发明所述方法的具体步骤如下。

[0047] 步骤(1)：输入直线电机速度给定值作为目标，利用电流互感器测量永磁同步直线电机的三相电流ia、ib、ic，并进行Clark变换，转换成为α-β坐标系下的等效电流iα、iβ，利用万用表测量永磁同步直线电机的三相电压并进行Clark变换，转换为α-β坐标下的等效电压uα、uβ。

[0048] 步骤(2)：根据步骤(1)中的α-β坐标系下的等效电流iα、iβ以及α-β坐标下的等效电压uα、uβ构造滑模观测器，由其输出α-β坐标系下的反电动势观测值

[0049] 步骤(3)：利用步骤(2)中的α-β坐标系下的反电动势观测值 实现对动子速度和电机磁极位置的估计，进而得到动子速度估计值 和电机磁极位置估计值

[0050] 步骤(4)：根据步骤(3)中的动子移动速度估计值 和电机磁极位置估计值 将电机动子移动速度估计值 与速度目标值v*进行比较得到的差值e再利用PID控制器进行速度调节，从而获得d-q坐标系q轴电流的给定值iqref，将q轴给定电流值iqref与q轴实际输出电流值iq进行比较，其差值用q轴电流调节处理，产生q轴电压输出值 将d轴电流给定值idref与d轴实际输出电流值id进行比较，其差值用d轴电流调节处理，产生d轴电压输出值 将上述d-q坐标系下的电压输出值 和 进行Park逆变换处理，从而产生α-β坐标系下的等效电压控制给定 和 对所述等效电压控制给定值 和 进行空间矢量脉宽调制，产生SVPWM信号，利用上述信号使三相逆变器产生三相电压，进而控制永磁同步直线电机的运行。

[0051] 如图2所示，步骤(2)中的自适应增益滑模观测器的模型如下式所示。

[0052]

[0053] 其中， 分别为α-β坐标系下的等效电流观测值，Rs为永磁同步直线电机的绕组电阻，Ls为永磁同步直线电机绕组电感，Kα(t)、Kβ(t)分别为α、β相的自适应增益，Kα(0)＞0，σα、σβ分 别 为α、β相电 流估 计 值与 实际 电 流 测量 值的 偏 差 ，是|σα|＞ε＞0刚切换到|σα|≤ε那一时刻的值， 是|σβ|＞ε＞0刚切换到|σβ|≤ε那一时刻的值。上述模型中α-β坐标系下的开关信号为sigmoid函数，表达式如下。

[0054]

[0055] 模型中的滑模面Sα、Sβ由下式确定：

[0056]

[0057] 如图3、图4所示，所述步骤(2)中的α-β坐标系下的反电动势观测值 分别从开关信号Fα、Fβ与自适应增益的乘积中获得，并可通过滤波去除部分噪声信号。如下式所示。

[0058]

[0059] 其中，eα,eβ为电机反电动势、 为永磁体磁链、τ为直线电机极距。

[0060] 所述步骤(2)中滑模观测器增益可自适应变化，即可根据外界条件的变化，自行变换增益大小，寻找最优增益，从而获得更好的控制效果。如图5所示，以α相为例，其算法实现如下。

[0061] 如果|σα|＞ε＞0，则Kα(t)为 的解。

[0062] 其中， Kα(0)＞0，σα为电流估计值与实际电流测量值的偏差值。

[0063] 如果|σα|≤ε，Kα(t)满足

[0064]

[0065] 其中， tα*是|σα|＞ε＞0刚切换到|σα|≤ε那一时刻的值。

[0066] 如图6所示，所述步骤(3)包括如下具体处理。

[0067] 步骤(3-1):将权利要求5中获得的反电动势观测值 进行一阶滤波。

[0068] 步骤(3-2):由于磁极位置和反电动势有如下关系。

[0069]

[0070] 可将磁极的周期分为8份，进而判断当前所获得的反电动势所处的位置。

[0071] 步骤(3-3):利用获得的比值k，结合当前反电动势所处的位置，利用反正切公式，求出磁极位置的估计值

[0072] 如图7所示，系统存在一定的参数摄动和负载扰动时，本发明中磁极位置估算模块输出的电机磁极位置估计值 与电机实际磁极位置θ的比较示意图。

[0073] 图8是系统存在参数摄动和负载扰动时，利用本发明中自适应增益滑模观测器输出的反电动势观测值 的波形图。

[0074] 从图7和图8可以看出，当系统存在参数摄动以及负载扰动时，利用本发明的自适应增益滑模观测器可以准确、快速估计出反电动势观测值 也可以准确、快速地输出电机运动速度和磁极位置的估计值 且具有速度输出响应快，超调量小的特点，在扰动发生时能够及时进行速度调节，保持速度跟随给定值。

[0075] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。