本發(fā)明涉及一種基于自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)無(wú)傳感器控制方法，屬于直線電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的加速度和速度要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)配合滾軸絲杠的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)整體剛度降低，中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)也將導(dǎo)致系統(tǒng)的魯棒性降低，伺服性能下降。而直線電機(jī)能將電能直接轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，不需要任何中間環(huán)節(jié)，克服了以上缺點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、磁懸浮列車(chē)上，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比其速度也提高數(shù)十倍。

基于永磁同步直線電機(jī)的控制系統(tǒng)需要獲得電機(jī)的動(dòng)子位置和速度信號(hào)，目前應(yīng)用比較普遍的位置傳感器有直線編碼器和光柵傳感器等裝置，這些裝置的使用不但增加了系統(tǒng)的體積和成本，也影響了系統(tǒng)的可靠性，限制了永磁同步直線電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。無(wú)傳感器的控制方法利用容易檢測(cè)的電壓、電流信號(hào)結(jié)合電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)位置和速度進(jìn)行估計(jì)的方法，逐漸成為直線電機(jī)控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，尤其在電機(jī)的中高速運(yùn)行場(chǎng)合?；诨Ｓ^測(cè)器的無(wú)傳感器控制方法得到了廣泛的應(yīng)用。

在具有系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等復(fù)雜系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的滑模觀測(cè)器的快速性和抗干擾能力都受到很大的影響，控制系統(tǒng)的精度和速度隨之變差。為了滿足數(shù)控技術(shù)的高精度、高速度的伺服系統(tǒng)性能要求，需要設(shè)計(jì)出適用于永磁同步直線電機(jī)的高速度、高精度和強(qiáng)魯棒性的控制方法，所以本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)無(wú)傳感器控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)無(wú)傳感器控制方法，目的在于使控制系統(tǒng)在具有參數(shù)攝動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等復(fù)雜系統(tǒng)的情況下也能實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步直線電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、動(dòng)子位置和速度的快速、準(zhǔn)確估計(jì)，并能有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)無(wú)傳感器控制方法，具體包括以下步驟。

步驟(1)：利用電流互感器測(cè)量永磁同步直線電機(jī)的三相電流，并進(jìn)行Clark變換，轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)下的等效電流，利用萬(wàn)用表測(cè)量永磁同步直線電機(jī)的三相電壓并進(jìn)行Clark變換，轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)下的等效電壓。

步驟(2)：根據(jù)步驟(1)中的坐標(biāo)系下的等效電流以及坐標(biāo)下的等效電壓構(gòu)造滑模觀測(cè)器，由其輸出坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值。

步驟(3)：利用步驟(2)中的$732055dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$986188dest\_path\_image007$實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)子速度和電機(jī)磁極位置的估計(jì)，進(jìn)而得到動(dòng)子速度估計(jì)值$424123dest\_path\_image008$和電機(jī)磁極位置估計(jì)值$907057dest\_path\_image009$。

步驟(4)：根據(jù)步驟(3)中的動(dòng)子移動(dòng)速度估計(jì)值$192676dest\_path\_image008$和電機(jī)磁極位置估計(jì)值$102863dest\_path\_image009$，將電機(jī)動(dòng)子移動(dòng)速度估計(jì)值$28093dest\_path\_image008$和與速度目標(biāo)值$578634dest\_path\_image010$進(jìn)行比較得到的差值$968027dest\_path\_image011$再利用PID控制器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，從而獲得$252378dest\_path\_image012$坐標(biāo)系$477954dest\_path\_image013$軸電流的給定值$302691dest\_path\_image014$，將$795858dest\_path\_image013$軸給定電流值$251110dest\_path\_image014$與$213250dest\_path\_image013$軸實(shí)際輸出電流值$779360dest\_path\_image015$進(jìn)行比較，其差值用$628499dest\_path\_image013$軸電流調(diào)節(jié)處理，產(chǎn)生$254652dest\_path\_image013$軸電壓輸出值$704088dest\_path\_image016$。將$808310dest\_path\_image017$軸電流給定值$278999dest\_path\_image018$與$76054dest\_path\_image017$軸實(shí)際輸出電流值$747207dest\_path\_image019$進(jìn)行比較，其差值用$733748dest\_path\_image017$軸電流調(diào)節(jié)處理，產(chǎn)生$744430dest\_path\_image017$軸電壓輸出值$774703dest\_path\_image020$。將上述$870835dest\_path\_image012$坐標(biāo)系下的電壓輸出值$628444dest\_path\_image020$和$759211dest\_path\_image016$進(jìn)行Park逆變換處理，從而產(chǎn)生$960385dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的等效電壓控制給定$356863dest\_path\_image021$和$606578dest\_path\_image022$，對(duì)所述等效電壓控制給定值$654169dest\_path\_image021$和$278442dest\_path\_image022$進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制，產(chǎn)生SVPWM信號(hào)，利用上述信號(hào)使三相逆變器產(chǎn)生三相電壓，進(jìn)而控制永磁同步直線電機(jī)的運(yùn)行。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)化方法：所述步驟(2)中構(gòu)造的滑模觀測(cè)器是針對(duì)實(shí)際的非線性系統(tǒng)中存在參數(shù)不確定性、外部擾動(dòng)和系統(tǒng)攝動(dòng)等情況而設(shè)計(jì)的自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器。其具體模型為式(1)所示。

$411483dest\_path\_image023$(1)

其中，$464889dest\_path\_image024$分別為$117719dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的等效電流估計(jì)值，$660695dest\_path\_image025$為永磁同步直線電機(jī)的繞組電阻，$953137dest\_path\_image026$為永磁同步直線電機(jī)繞組電感，$121819dest\_path\_image027$分別為$878422dest\_path\_image028$相的自適應(yīng)增益，$529983dest\_path\_image029$，$388349dest\_path\_image030$，$845875dest\_path\_image031$分別為$709182dest\_path\_image028$相電流估計(jì)值與實(shí)際電流測(cè)量值的偏差，$797224dest\_path\_image032$，$126574dest\_path\_image033$，$872944dest\_path\_image034$，$541823dest\_path\_image035$，$863083dest\_path\_image036$是$351833dest\_path\_image037$剛切換到$666009dest\_path\_image038$那一時(shí)刻的值，$189394dest\_path\_image039$是$415976dest\_path\_image040$剛切換到$470651dest\_path\_image041$那一時(shí)刻的值。

進(jìn)一步，為更加符合實(shí)際情況，所述步驟(2)中設(shè)計(jì)的滑模觀測(cè)器的滑模面$11353dest\_path\_image042$由式(2)確定。

$451562dest\_path\_image043$(2)

進(jìn)一步，所述步驟(2)中滑模觀測(cè)器選擇$355103dest\_path\_image044$ sigmoid函數(shù)為$818446dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)信號(hào)，表達(dá)式由式(3)確定。

$225156dest\_path\_image045$(3)

使用這種形式的開(kāi)關(guān)函數(shù)能最大程度的減弱抖振，提高控制精度，改善系統(tǒng)性能。

進(jìn)一步，所述步驟(2)中$536183dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$104567dest\_path\_image007$分別從開(kāi)關(guān)信號(hào)$320785dest\_path\_image046$與自適應(yīng)增益的乘積中獲得，并可通過(guò)濾波去除部分噪聲信號(hào)，其計(jì)算如式(4)所示。

$514875dest\_path\_image047$(4)

其中，$929676dest\_path\_image006$為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、$606645dest\_path\_image048$為永磁體磁鏈、$857629dest\_path\_image049$為直線電機(jī)極距。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)化方法：所述步驟(2)中設(shè)計(jì)的滑模觀測(cè)器增益$606142dest\_path\_image050$，可根據(jù)外界狀態(tài)的變化而自行調(diào)整，盡可能保證實(shí)時(shí)處于最優(yōu)增益狀態(tài)，從而獲得更好的控制效果。以$127646dest\_path\_image051$相為例，其算法實(shí)現(xiàn)如下。

如果$241096dest\_path\_image037$，則$228643dest\_path\_image052$為$266001dest\_path\_image053$的解。

其中，$593077dest\_path\_image030$，$939745dest\_path\_image029$，$398277dest\_path\_image054$為電流估計(jì)值與實(shí)際電流測(cè)量值的偏差值。

如果 $488592dest\_path\_image055$，$670175dest\_path\_image056$滿足

$938476dest\_path\_image057$(5)

其中，$900616dest\_path\_image032$，$466727dest\_path\_image034$，$817330dest\_path\_image035$，$443483dest\_path\_image036$是$627340dest\_path\_image037$剛切換到$997142dest\_path\_image038$那一時(shí)刻的值。

本發(fā)明提出的基于自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器的永磁同步直線電機(jī)無(wú)傳感器控制方法中，所述步驟(3)包括如下具體步驟。

步驟(3-1): 將權(quán)利要求5中獲得的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$966366dest\_path\_image007$進(jìn)行一階濾波。

步驟(3-2): 由于磁極位置和反電動(dòng)勢(shì)有如下關(guān)系。

$763420dest\_path\_image058$(6)

可將磁極的周期分為8份，進(jìn)而判斷當(dāng)前所獲得的反電動(dòng)勢(shì)所處的位置。

步驟(3-3): 利用獲得的比值$434573dest\_path\_image059$，結(jié)合當(dāng)前反電動(dòng)勢(shì)所處的位置，利用反正切公式，求出磁極位置的估計(jì)值$654071dest\_path\_image060$。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1.本發(fā)明中提出的自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器選擇sigmoid函數(shù)作為開(kāi)關(guān)函數(shù)，相比于傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器的開(kāi)關(guān)函數(shù)，能很大程度上削弱抖振情況，獲得效果良好的反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)值，進(jìn)而提高電機(jī)位置估計(jì)精度。

2.本發(fā)明所提出的自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器優(yōu)于傳統(tǒng)的滑模觀測(cè)器，其增益采用先進(jìn)的自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況實(shí)時(shí)改變開(kāi)關(guān)增益，對(duì)于具有系統(tǒng)擾動(dòng)和參數(shù)攝動(dòng)等不確定性因素的系統(tǒng)有很好的魯棒性，因此可以更好地應(yīng)用于永磁同步直線電機(jī)的無(wú)傳感器控制。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。

圖2是自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本發(fā)明中自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器計(jì)算坐標(biāo)系下反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$664752dest\_path\_image061$的原理框圖。

圖4是本發(fā)明中自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器計(jì)算$695025dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$791157dest\_path\_image062$的原理框圖。

圖5是本發(fā)明中自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器中自適應(yīng)增益算法的流程框圖。

圖6是利用本發(fā)明自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器及其他模塊估算永磁同步直線電機(jī)磁極位置的原理框圖。

圖7是系統(tǒng)存在參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，利用本發(fā)明中的自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器輸出的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器$315810dest\_path\_image007$波形圖。

圖8是系統(tǒng)存在參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，本發(fā)明中磁極位置估算模塊輸出的電機(jī)磁極位置估計(jì)值$446577dest\_path\_image009$與電機(jī)實(shí)際磁極位置$647752dest\_path\_image063$的比較示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。如圖所示，在本實(shí)施例中，本發(fā)明所述方法的具體步驟如下。

步驟(1)：輸入直線電機(jī)速度給定值作為目標(biāo)，利用電流互感器測(cè)量永磁同步直線電機(jī)的三相電流$965601dest\_path\_image064$，并進(jìn)行Clark變換，轉(zhuǎn)換成為$795410dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的等效電流$780683dest\_path\_image065$，利用萬(wàn)用表測(cè)量永磁同步直線電機(jī)的三相電壓并進(jìn)行Clark變換，轉(zhuǎn)換為$152759dest\_path\_image002$坐標(biāo)下的等效電壓$957904dest\_path\_image004$。

步驟(2)：根據(jù)步驟(1)中的$824360dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的等效電流$726457dest\_path\_image003$以及$207116dest\_path\_image002$坐標(biāo)下的等效電壓$76721dest\_path\_image004$構(gòu)造滑模觀測(cè)器，由其輸出$668240dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$424843dest\_path\_image007$。

步驟(3)：利用步驟(2)中的$76404dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$934770dest\_path\_image007$實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)子速度和電機(jī)磁極位置的估計(jì)，進(jìn)而得到動(dòng)子速度估計(jì)值$329979dest\_path\_image008$和電機(jī)磁極位置估計(jì)值$206668dest\_path\_image009$。

步驟(4)：根據(jù)步驟(3)中的動(dòng)子移動(dòng)速度估計(jì)值$167864dest\_path\_image008$和電機(jī)磁極位置估計(jì)值$434897dest\_path\_image009$，將電機(jī)動(dòng)子移動(dòng)速度估計(jì)值$696114dest\_path\_image008$和與速度目標(biāo)值$912463dest\_path\_image010$進(jìn)行比較得到的差值$905827dest\_path\_image011$再利用PID控制器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，從而獲得$988052dest\_path\_image012$坐標(biāo)系$302228dest\_path\_image013$軸電流的給定值$825613dest\_path\_image014$，將$786616dest\_path\_image013$軸給定電流值$106870dest\_path\_image014$與$647573dest\_path\_image013$軸實(shí)際輸出電流值$822202dest\_path\_image015$進(jìn)行比較，其差值用$3041dest\_path\_image013$軸電流調(diào)節(jié)處理，產(chǎn)生$466383dest\_path\_image013$軸電壓輸出值$873094dest\_path\_image016$。將$652962dest\_path\_image017$軸電流給定值$424609dest\_path\_image018$與$703144dest\_path\_image017$軸實(shí)際輸出電流值$631654dest\_path\_image019$進(jìn)行比較，其差值用$984138dest\_path\_image017$軸電流調(diào)節(jié)處理，產(chǎn)生$989003dest\_path\_image017$軸電壓輸出值$426938dest\_path\_image020$。將上述$191763dest\_path\_image012$坐標(biāo)系下的電壓輸出值$195491dest\_path\_image020$和$308940dest\_path\_image016$進(jìn)行Park逆變換處理，從而產(chǎn)生$814264dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的等效電壓控制給定$38572dest\_path\_image021$和$162386dest\_path\_image022$，對(duì)所述等效電壓控制給定值$994207dest\_path\_image021$和$406734dest\_path\_image022$進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制，產(chǎn)生SVPWM信號(hào)，利用上述信號(hào)使三相逆變器產(chǎn)生三相電壓，進(jìn)而控制永磁同步直線電機(jī)的運(yùn)行。

如圖2所示，步驟(2)中的自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器的模型如下式所示。

$762629dest\_path\_image023$(7)

其中，$990217dest\_path\_image024$分別為$445469dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的等效電流觀測(cè)值，$142029dest\_path\_image025$為永磁同步直線電機(jī)的繞組電阻，$708140dest\_path\_image026$為永磁同步直線電機(jī)繞組電感，$822858dest\_path\_image027$分別為$449011dest\_path\_image028$相的自適應(yīng)增益，$632868dest\_path\_image029$，$2669dest\_path\_image030$，$738937dest\_path\_image031$分別為$332730dest\_path\_image028$相電流估計(jì)值與實(shí)際電流測(cè)量值的偏差，$754615dest\_path\_image032$，$662528dest\_path\_image033$，$735526dest\_path\_image034$，$703482dest\_path\_image035$，$111199dest\_path\_image036$是$822803dest\_path\_image037$剛切換到$750308dest\_path\_image038$那一時(shí)刻的值，$889165dest\_path\_image039$是$285642dest\_path\_image040$剛切換到$863254dest\_path\_image041$那一時(shí)刻的值。上述模型中$582948dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)信號(hào)$195502dest\_path\_image044$為sigmoid函數(shù)，表達(dá)式如下。

$266227dest\_path\_image045$(8)

模型中的滑模面$381950dest\_path\_image042$由下式確定。

$34779dest\_path\_image043$(9)

如圖3、圖4所示，所述步驟(2)中的$515439dest\_path\_image002$坐標(biāo)系下的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$135777dest\_path\_image007$分別從開(kāi)關(guān)信號(hào)$38879dest\_path\_image046$與自適應(yīng)增益的乘積中獲得，并可通過(guò)濾波去除部分噪聲信號(hào)。如下式所示。

$733166dest\_path\_image047$(10)

其中，$712623dest\_path\_image006$為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、$305410dest\_path\_image048$為永磁體磁鏈、$700619dest\_path\_image049$為直線電機(jī)極距。

所述步驟(2)中滑模觀測(cè)器增益可自適應(yīng)變化，即可根據(jù)外界條件的變化，自行變換增益大小，尋找最優(yōu)增益，從而獲得更好的控制效果。如圖5所示，以$577308dest\_path\_image051$相為例，其算法實(shí)現(xiàn)如下。

如果$714285dest\_path\_image037$，則$981318dest\_path\_image052$為$242535dest\_path\_image053$的解。

其中，$911414dest\_path\_image030$，$717827dest\_path\_image029$，$534473dest\_path\_image054$為電流估計(jì)值與實(shí)際電流測(cè)量值的偏差值。

如果 $271485dest\_path\_image055$，$106455dest\_path\_image056$滿足下式。

$598616dest\_path\_image057$(11)

其中，$840241dest\_path\_image032$，$928414dest\_path\_image034$，$571885dest\_path\_image035$，$969369dest\_path\_image036$是$698290dest\_path\_image037$剛切換到$91619dest\_path\_image038$那一時(shí)刻的值。

如圖6所示，所述步驟(3)包括如下具體處理。

步驟(3-1): 將權(quán)利要求5中獲得的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$589596dest\_path\_image007$進(jìn)行一階濾波。

步驟(3-2):由于磁極位置和反電動(dòng)勢(shì)有如下關(guān)系。

$423560dest\_path\_image058$(12)

可將磁極的周期分為8份，進(jìn)而判斷當(dāng)前所獲得的反電動(dòng)勢(shì)所處的位置。

步驟(3-3): 利用獲得的比值$187248dest\_path\_image066$，結(jié)合當(dāng)前反電動(dòng)勢(shì)所處的位置，利用反正切公式，求出磁極位置的估計(jì)值$132070dest\_path\_image067$。

如圖7所示，是系統(tǒng)存在參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，利用本發(fā)明中自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器輸出的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$484554dest\_path\_image007$的波形圖。

圖8是系統(tǒng)存在一定的參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，本發(fā)明中磁極位置估算模塊輸出的電機(jī)磁極位置估計(jì)值$738687dest\_path\_image067$與電機(jī)實(shí)際磁極位置$238938dest\_path\_image063$的比較示意圖。

從圖7和圖8可以看出，當(dāng)系統(tǒng)存在參數(shù)攝動(dòng)以及負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，利用本發(fā)明的自適應(yīng)增益滑模觀測(cè)器可以準(zhǔn)確、快速估計(jì)出反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)值$659555dest\_path\_image007$，也可以準(zhǔn)確、快速地輸出電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度和磁極位置的估計(jì)值$945174dest\_path\_image067$，且具有速度輸出響應(yīng)快，超調(diào)量小的特點(diǎn)，在擾動(dòng)發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，保持速度跟隨給定值。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。