一种直线振荡电机的无位置传感器预测控制方法

本发明涉及直线振荡电机无位置传感器控制的，尤其是指一种直线振荡电机的无位置传感器预测控制方法。

背景技术：

1、直线振荡电机能够直接产生往复直线运动，省去了传统曲柄连杆等中间传动机构，具有结构紧凑、摩擦损耗小、效率高等优点，已广泛应用于线性压缩机、斯特林制冷机等往复运动驱动场合。由于直线振荡电机的动子通常与活塞或负载机构直接连接，当动子行程过大时，容易引起碰缸、机械冲击或结构损坏，因此需要对动子行程进行闭环控制。同时，直线振荡电机具有明显的谐振运行特性，使其运行在机械谐振点附近有利于提高系统运行效率。

2、现有直线振荡电机无位置传感器控制方法通常根据电压方程估算反电动势，并通过积分等方式获得动子位移信息。然而，反电动势积分法容易受到参数误差、采样噪声和直流偏置的影响，存在积分漂移和相位滞后等问题，影响动子位移估计精度。另一方面，现有谐振频率跟踪和行程控制通常需要分别设置相位检测、频率调节、行程闭环和电流控制等环节，控制变量之间存在一定耦合关系，系统结构相对复杂，在启动、变行程或负载变化等工况下动态响应速度仍有待提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种直线振荡电机的无位置传感器预测控制方法，解决现有直线振荡电机控制中位移估计易产生积分漂移和相位滞后、谐振频率跟踪与动子行程调节耦合导致系统动态性能受限的问题。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种直线振荡电机的无位置传感器预测控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：采集直线振荡电机的定子电压和定子电流，根据直线振荡电机的电压方程构建分数阶滑模观测器对反电动势进行观测，得到反电动势估计值；

4、步骤s2：对所述定子电压、定子电流和反电动势估计值进行正交信号生成，构建虚拟两相静止坐标系，并根据同步旋转角进行坐标变换，构建同步旋转坐标系，分别得到所述定子电压、定子电流和反电动势估计值的轴分量和轴分量；

5、步骤s3：基于所述定子电流提取运行角频率，并根据所述反电动势估计值的轴分量调节所述同步旋转角，使所述轴分量收敛至零，以形成以动子位移矢量为轴定向基准的位移定向同步旋转坐标系；

6、步骤s4：在所述位移定向同步旋转坐标系下，根据所述反电动势估计值的轴分量和所述运行角频率计算动子位移幅值估计值；

7、步骤s5：在所述位移定向同步旋转坐标系，将轴电流参考值设定为零，并根据动子位移幅值给定值与所述动子位移幅值估计值之间的误差生成轴电流参考值；

8、步骤s6：基于所述位移定向同步旋转坐标系下的电流预测模型，根据所述轴电流参考值、轴电流参考值以及所述定子电流的轴分量和轴分量，确定用于驱动直线振荡电机的逆变器的输出控制量；

9、步骤s7：根据所述逆变器的输出控制量生成 pwm 信号，以驱动所述直线振荡电机实现无位置传感器预测控制。

10、进一步，步骤s1中，所述直线振荡电机的电压方程为：

11、；

12、式中，为定子电压，为定子电流，为反电动势，为定子电阻，为定子电感，为时间。

13、进一步，步骤s1中，所述分数阶滑模观测器的控制律为：

14、；

15、；

16、；

17、式中，为滑模观测器输出量，为等效控制项，为切换控制项，为电流观测误差，为滑模面，为分数阶微分算子，为可调增益参数；

18、所述反电动势估计值按照如下关系获得：

19、；

20、式中，为反电动势估计值。

21、进一步，步骤s2中，对于定子电压、定子电流或反电动势估计值中的任一单相电气量，所述正交信号生成满足：

22、；

23、；

24、；

25、式中,和分别为所述单相电气量在虚拟两相静止坐标系中的轴分量和轴分量，为与正交的信号生成结果，为虚数单位，满足，为虚拟两相静止坐标系中的空间矢量；

26、所述坐标变换满足：

27、；

28、；

29、式中，为所述虚拟两相静止坐标系中的空间矢量经坐标变换后得到的同步旋转坐标系中的空间矢量，为自然指数函数，为虚数单位，为同步旋转角，和分别为所述空间矢量在同步旋转坐标系中的轴分量和轴分量。

30、进一步，步骤s3中，以从所述定子电流中提取的运行角频率作为同步旋转角更新的前馈量，并以所述反电动势估计值的轴分量构造相位误差信号，根据所述运行角频率和所述相位误差信号更新同步旋转角，使所述反电动势估计值的轴分量收敛至零，以形成所述位移定向同步旋转坐标系；其中，在步骤s2和步骤s3中，所述正交信号生成能采用二阶广义积分器实现；所述运行角频率能由基于定子电流的二阶广义积分器-锁频环提取；所述同步旋转角能由二阶广义积分器-锁相环根据反电动势估计值的轴分量进行闭环调节得到。

31、进一步，步骤s4中，在所述位移定向同步旋转坐标系下满足：

32、；

33、；

34、式中，为反电动势估计值的轴分量，为反电动势估计值的轴分量，为电磁推力系数，为运行角频率，为动子位移幅值；

35、所述动子位移幅值估计值按照如下关系计算：

36、；

37、式中，为动子位移幅值估计值。

38、进一步，步骤s5中，在所述位移定向同步旋转坐标系下满足：

39、；

40、；

41、式中，为定子电流的轴分量，为定子电流的轴分量，为等效弹簧刚度，为电磁推力系数，为动子等效质量，为等效阻尼系数，为动子位移幅值，当所述定子电流的轴分量趋近于零时，直线振荡电机趋近机械谐振运行状态，所述定子电流的轴分量随所述动子位移幅值变化；所述轴电流参考值满足，所述轴电流参考值由行程外环控制器根据动子位移幅值给定值与动子位移幅值估计值之间的误差生成。

42、进一步，步骤s6中，所述电流预测模型为同步旋转坐标系下的离散电流预测模型，用于根据候选逆变器输出控制量预测轴分量和轴分量，并根据、与轴电流参考值、轴电流参考值之间的跟踪误差确定逆变器输出控制量。

43、进一步，步骤s6中，在一个控制周期内组合施加一个有效电压矢量和一个零电压矢量，并通过最小化电流跟踪误差代价函数求解所述有效电压矢量的作用占空比；所述电流跟踪误差代价函数为：；分别对正向有效电压矢量与零电压矢量的组合以及负向有效电压矢量与零电压矢量的组合进行代价函数评价，并选择代价函数值较小的电压矢量组合作为当前控制周期的逆变器输出控制量。

44、进一步，步骤s7中，所述逆变器为 h 桥逆变器，所述pwm信号根据所述输出控制量确定所述h桥逆变器的开关状态，最终完成直线振荡电机的无位置传感器预测控制。

45、本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

46、1、本发明采用分数阶滑模观测器对直线振荡电机的反电动势进行观测，有利于提高反电动势估计的准确性；在位移定向同步旋转坐标系下，根据反电动势估计值的轴分量和运行角频率直接计算动子位移幅值估计值，无需对反电动势进行纯积分，从而避免纯积分环节引起的积分漂移、初值敏感和相位滞后，提高无位置传感器条件下动子位移幅值估计的准确性。

47、2、本发明通过正交信号生成将直线振荡电机的单相定子电压、定子电流和反电动势估计值扩展到虚拟两相静止坐标系，并进一步变换到同步旋转坐标系，使直线振荡电机的电气量能够以空间矢量形式进行分析和控制；在位移定向同步旋转坐标系下，将机械谐振状态调节和动子行程控制分别转化为轴电流分量和轴电流分量的调节，降低机械谐振状态调节与动子行程控制之间的耦合，并简化控制结构。

48、3、本发明采用位移定向同步旋转坐标系下的离散电流预测模型，根据候选逆变器输出控制量预测轴分量和轴分量，并根据电流跟踪误差代价函数确定逆变器输出控制量，使轴分量和轴分量跟踪各自参考值，从而实现机械谐振状态调节和动子行程闭环控制。