本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于自適應(yīng)模糊滑模觀測器的無傳感器永磁同步電機(jī)控制方法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)由于具有高轉(zhuǎn)矩比、高效率及高功率密度等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)于高性能調(diào)速系統(tǒng)中。工程中常常通過安裝傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子速度及位置的準(zhǔn)確信息，這不僅增大了系統(tǒng)的體積和成本，還降低系統(tǒng)的可靠性。因此，永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)的研究有著極其重要的意義。

近年來，滑模觀測器因其具有計算簡單、魯棒性好、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)而備受人們歡迎。但是傳統(tǒng)的滑模觀測器控制系統(tǒng)中抖振較大，同時由于低通濾波器的應(yīng)用，會產(chǎn)生相位延遲的問題。低速時傳統(tǒng)的滑模觀測器無傳感器控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估算不精確，所以在某些方面限制了傳統(tǒng)滑模觀測器在實(shí)際控制中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法，不僅大大削弱了系統(tǒng)抖振及減少動態(tài)響應(yīng)時間，還提高了對轉(zhuǎn)速及位置信息估計的準(zhǔn)確精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供一種永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法，具體包括以下步驟：

(1)建立基于在αβ坐標(biāo)系下的自適應(yīng)模糊滑模觀測器數(shù)學(xué)模型：

(2)根據(jù)模糊控制原理，確定自適應(yīng)模糊滑模觀測器的模糊規(guī)則，通過模糊控制系統(tǒng)，得到滑模增益ksw；

(3)利用永磁同步電機(jī)反電動勢模型，構(gòu)建反電動勢觀測器；

(4)反電動勢估計值通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊進(jìn)而計算出轉(zhuǎn)子位置。

在靜止兩相坐標(biāo)系αβ下的數(shù)學(xué)模型為:

其中iα、iβ和uα、uβ分別為αβ坐標(biāo)系上的定子電流和定子電壓；eα、eβ為αβ坐標(biāo)系上的反電動勢；r和ls分別為定子電阻和定子電感；ψf為永磁體磁鏈；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

將自適應(yīng)模糊滑模觀測器系統(tǒng)與反電動勢觀測器相結(jié)合，其特征在于：設(shè)定輸入變量，通過模糊控制系統(tǒng)，采用模糊規(guī)則，根據(jù)滑模控制系統(tǒng)的滑模到達(dá)條件，實(shí)現(xiàn)對滑模觀測器中的滑模增益進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，然后通過反電動勢觀測器濾出反電動勢估計值中的高頻分量，最后通過位置估算模塊估計出轉(zhuǎn)子位置。

基于滑模變結(jié)構(gòu)，選取滑模面為：

其中，sα、sβ為定子電流誤差，為定子電流的估計值，iα、iβ為定子電流實(shí)際值。

構(gòu)建基于αβ坐標(biāo)系下的自適應(yīng)模糊滑模觀測器數(shù)學(xué)模型：

其中，為定子電流的估計值，f(x)為sigmoid函數(shù)，ksw為滑模增益。

sigmoid函數(shù)作為切換函數(shù)，可以有效地減小抖振，所述切換函數(shù)設(shè)計如下：

為了使滑動模態(tài)存在且穩(wěn)定，構(gòu)造lyapunov函數(shù)為：

v＝s^ts/2(5)

則自適應(yīng)模糊滑模觀測器的穩(wěn)定性條件為：

ksw＞max(|eα|,|eβ|)(6)

反電動勢可表示為：

定義輸入輸出變量的論域均為{-33}，輸入變量的模糊語言為{nb(負(fù)大)、nm(負(fù)中)、z(零)、pm(正中)、pb(正大)}，輸出變量的模糊語言值為{nb(負(fù)大)、nm(負(fù)中)、ns(負(fù)小)、z(零)、ps(正小)、pm(正中)、pb(正大)}。

在滿足不等式的條件下，設(shè)計ksw。

在一個控制周期內(nèi)，由于電機(jī)的角速度變化比較緩慢，則可以假設(shè)為dωr/dt＝0。

利用永磁同步電機(jī)反電動勢模型，構(gòu)建反電動勢觀測器：

其中，為反電勢估計值，為電機(jī)電角速度估計值；l為觀測器增益，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0。

定義lyapunov函數(shù)：

反電動勢通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊進(jìn)而計算出轉(zhuǎn)子位置；

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)傳統(tǒng)的滑模觀測器中的滑模增益值往往都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定的常數(shù)，但實(shí)際系統(tǒng)中電流的觀測誤差是時變的，固定的常數(shù)有可能會增大抖振。本發(fā)明將模糊控制、滑模觀測器合理的相結(jié)合，采用模糊規(guī)則，根據(jù)滑模到達(dá)條件對滑模增益進(jìn)行有效的估計，并利用滑模增益消除干擾項，從而消除抖振。利用模糊控制器動態(tài)調(diào)節(jié)滑模增益，解決了傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的高頻抖振問題，減少了動態(tài)響應(yīng)時間，增大了速度適應(yīng)范圍。

(2)本發(fā)明并利用反電動勢模型構(gòu)建反電動勢滑模觀測器來代替低通濾波器，避免相位延遲，提高了跟蹤效果。

附圖說明

圖1為基于自適應(yīng)模糊滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為自適應(yīng)模糊滑模觀測器模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為模糊控制系統(tǒng)中輸入和輸出的隸屬函數(shù)。

圖4為傳統(tǒng)滑模觀測器的結(jié)構(gòu)圖。

圖5為在傳統(tǒng)滑模觀測器下速度和位置的波形圖。

圖6為本發(fā)明控制方法下速度和位置的波形圖。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，基于自適應(yīng)模糊滑模觀測器永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)原理圖，包括pmsm(永磁同步電機(jī))、三相逆變器模塊、svpwm(空間矢量脈寬調(diào)制)模塊、矢量控制模塊、自適應(yīng)模糊滑模觀測器模塊、反電動勢模塊及轉(zhuǎn)子位置估算模塊。

永磁同步電機(jī)的無傳感器控制系統(tǒng)的具體控制方法包括如下步驟：

建立在靜止兩相坐標(biāo)系αβ下的數(shù)學(xué)模型。

構(gòu)建基于αβ坐標(biāo)下的自適應(yīng)模糊滑模觀測器數(shù)學(xué)模型：

電流誤差方程為：

可得反電動勢為：

如圖2所示，自適應(yīng)模糊滑模觀測器模塊原理圖。

通過滑模觀測器得到的電流估計值與αβ坐標(biāo)系下電流實(shí)際值iα、iβ相減得到s，并對其求導(dǎo)得根據(jù)模糊控制原理，定義s和為模糊控制的兩個輸入變量，確定自適應(yīng)模糊滑模控制器的模糊控制規(guī)則為：

采用mamdani模糊推理算法和重心法反模糊化進(jìn)行判決，輸出變量為滑模增益。輸入輸出隸屬函數(shù)如圖3所示。

由自適應(yīng)模糊滑模觀測器模塊可得到反電動勢的估計值

因所得反電動勢中仍含有高頻分量，則利用永磁同步電機(jī)反電動勢模型，構(gòu)建反電動勢觀測器進(jìn)行濾波。

在一個控制周期內(nèi)，由于電機(jī)的角速度變化比較緩慢，則可以假設(shè)為dωr/dt＝0。

構(gòu)建反電動勢觀測器為：

其中，為反電勢估計值，為電機(jī)電角速度估計值；l為觀測器增益，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0。

定義lyapunov函數(shù)：

反電動勢通過轉(zhuǎn)子位置估算模塊進(jìn)而計算出轉(zhuǎn)子位置：

為說明本發(fā)明所提出的自適應(yīng)模糊滑模觀測器無傳感器控制方法的穩(wěn)定性及快速響應(yīng)性，本發(fā)明將所提出的控制方法與傳統(tǒng)滑模觀測器做了比較。其中，傳統(tǒng)滑模觀測器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

如圖5為當(dāng)電機(jī)給定速度值為1000rad/s時傳統(tǒng)滑模觀測器無傳感器控制方法下的波形圖：(a)為轉(zhuǎn)速實(shí)際值與估計值，(b)為轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值與估計值。圖6為當(dāng)電機(jī)給定速度值為1000rad/s時本發(fā)明永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法下的波形圖：(a)為轉(zhuǎn)速實(shí)際值與估計值，(b)為轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值與估計值。通過從圖5和圖6中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的波形圖可發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)滑模觀測器無傳感器控制方法，本發(fā)明所提出的控制方法不僅大大地削弱了系統(tǒng)抖振現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還加快了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高了對轉(zhuǎn)速及位置信息估計的準(zhǔn)確精度。