[发明专利]一种永磁同步电机转子位置全阶滑模观测装置及方法

说明书

本发明提供了一种永磁同步电机转子位置全阶滑模观测装置及方法，本发明装置包括全阶滑模观测器、饱和函数处理模块以及锁相环模块，本发明方法中永磁同步电机的定子电压u_s经过全阶滑模观测器后可以输出定子电流的观测值与定子电流值i_s做差处理后得到电流观测误差经饱和函数处理模块后输出滑模函数控制矢量F(S)，饱和函数处理模块中滑模函数控制矢量F(S)采用边界层厚度可调的双曲正切函数，边界层厚度的调节根据开关增益g_r的转速自适应律进行，F(S)经滑模增益矩阵G₁得到反电动势观测误差经过全阶滑模观测器后输出反电动势观测值作为状态变量反馈回全阶滑模观测器参与更新计算，经锁相环模块处理后输出永磁同步电机转子位置观测值和转速观测值

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体的说，涉及了一种永磁同步电机转子位置全阶滑模观测装置及方法。

背景技术

在高性能的应用场合中，目前广泛采用增量式光电编码器、磁编码器、旋转变压器、霍尔位置传感器等机械式传感器来检测转子信息。这些机械式传感器可以检测转子旋转状态的转子位置及转速，但是对转子初始位置的检测比较困难或者需要更换功能更完备、成本更昂贵的检测装置。另外，机械式传感器需要大量的引线降低了系统的可靠性，从而限制了永磁同步电机在一些特殊场合的应用。尤其是在一些环境比较恶劣的条件下，比如机械传感器在温度、湿度以及化学药品等因素的影响下，测量的精度会降低，从而影响整个控制系统的正常工作。因此，基于无传感器技术的永磁同步电机系统因为结构简单、成本低、易维护、体积小等优点在诸多领域得到了广泛应用。

永磁同步电机无传感器控制技术根据所适用的转速区域不同，可分为以下两类：1)基于永磁同步电机凸极效应及高频信号注入的方法；该方法能有较宽的调速范围，且低速时估算精度高，但是因为固有高频噪声影响，其适用于内置式永磁同步电机。2)基于电机模型的观测器估算法；这类方法以降维观测器、滑模观测器以及扩展卡尔曼滤波器为代表，适用于电机中高速运行速域，其中滑模观测器因具有结构简单、鲁棒性强等优势成为永磁同步电机无传感器技术的研究热点。

传统的滑模观测器存在以下问题：采用符号函数作为切换函数使系统存在高频抖振问题，且反电动势信号中也会包含高频谐波分量；低通滤波器的引入会导致相位延迟从而不得不加入相位补偿模块；在提取转子位置信息时采用反正切函数计算，查表法会占用DSP大量内存，往往也难以达到预期精度。针对上述问题，现有的抖振抑制方法中，一种是直接采用常规的饱和函数代替开关函数，从而使边界层之间的控制变得连续化，但是这种方法的滑模增益为固定值，这就使得在低速段适用的滑模增益无法满足中高速阶段的增益需求，大大降低了控制系统的抖振抑制效果。将终端型滑模面引入滑模观测器是另一种常采用的抖振抑制方法，该方法通过引入终端函数可以加快误差变量收敛至要求值的速度，但是该方法存在参数整定工作量大，运算复杂等问题。此外，也有采用在滑模观测器输出端加入卡尔曼滤波器以及神经网络控制器等方法来削弱系统抖振，增加转子位置的观测精度，但是这些算法与本发明相比，其过程相对复杂，在一定程度上影响了其在电机无位置传感器控制实践中的应用与推广。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种永磁同步电机转子位置全阶滑模观测装置，并提供了该观测装置的观测方法，以解决现有适用于中高速的无位置传感器永磁同步电机控制技术，即模型法，所获得的转子位置信息因抖振而产生的观测误差问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种永磁同步电机转子位置全阶滑模观测装置，该装置包括全阶滑模观测器(1)、饱和函数处理模块(2)和锁相环模块(3)；

所述全阶滑模观测器(1)设置有两相静止坐标下的定子电压u_s输入端、转子转速观测值输入端和两相静止坐标系下的反电动势观测误差输入端；