基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统

本发明属于永磁直线同步电机控制，具体是涉及基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统。

背景技术：

1、永磁直线同步电机具有结构简单、推力密度高、动态响应快、传动效率高和定位精度高等优点，广泛应用于高性能伺服驱动、数控装备、精密定位平台、半导体制造设备及工业自动化生产线等领域。随着高性能运动控制系统对运行精度、动态响应速度和抗扰能力的要求不断提高，永磁直线同步电机的高性能控制技术受到越来越多的关注。

2、现有永磁直线同步电机控制系统多采用位置传感器获取动子位置信息，再结合矢量控制实现闭环运行。虽然该类方法控制精度较高，但位置传感器会增加系统硬件成本、体积和布线复杂度，且在高温、强振动、电磁干扰等复杂工况下，传感器易受环境影响，降低系统的可靠性和工程适应性。因此，无位置传感器控制方法具有重要的研究意义和应用价值。

3、在无位置传感器控制中，通常需要根据电机端电压、电流等可测信号对动子位置和速度进行在线估计。传统观测方法在低速运行、参数摄动及负载扰动条件下，容易出现估计误差增大、动态性能下降和鲁棒性不足等问题。传统滑模观测器虽然鲁棒性较强，但在系统状态到达滑模面后会产生高频抖振，导致反电动势和位置估计精度下降。传统控制中，pmlsm速度环多采用pi调节器。该方法可靠性较高、结构简单且易于实现，在一定程度上能够满足多数场合的控制要求。然而，pi调节器通常存在超调现象，当系统受到负载扰动、参数变化等不确定因素影响时，传统pi控制已难以满足高性能控制需求。滑模变结构控制是通过简单而独特的非线性切换控制来摆脱传统控制方法对模型的依赖性和复杂辨识的困扰，实现控制系统的强鲁棒性，其本质与通过简捷的直接驱动方式以摆脱传统间接驱动的限制和缺陷来实现高刚度、高响应的直线伺服系统类似。滑模变结构控制结构简单、对外界干扰和参数摄动有很强的鲁棒性，可以通过切换控制作用于最大加速或最大减速所保证的滑动模态，从而使系统得到高响应高加速度控制性能，非常适合于直线电机伺服系统。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统，用以采用基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统实现永磁电机的运行控制。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统，包括：速度环、反馈补偿环和电流环；

3、所述速度环采用滑模速度控制器，基于电机线速度给定值与线速度估计值的速度误差输出交轴电流给定值；

4、所述反馈补偿环包括高阶滑模观测器和线速度换算模块，通过高阶滑模观测器对两相静止坐标系下的实测电压和实测电流进行在线估计，计算并输出电角度估计值和电角速度估计值，然后，线速度换算模块根据电角速度估计值换算得到线速度估计值；

5、所述电流环根据所述交轴电流给定值、电角度估计值和实测电流，生成控制永磁直线同步电机运行的驱动信号。

6、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的改进：

7、所述滑模速度控制器包括滑模面构造模块，滑模面构造模块构造的滑模面s为：

8、

9、其中，为滑模面系数，为第一状态变量，为第二状态变量；

10、

11、其中，为线速度估计值，为电机线速度给定值；

12、然后，通过滑模控制律模块计算获得交轴电流给定值，方法为：

13、

14、其中，d为控制增益系数，和为滑模控制参数，b为粘滞系数，为动子与负载质量之和，为符号函数。

15、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

16、所述高阶滑模观测器包括电流状态观测模块、高阶滑模注入模块、反电动势估计模块和锁相环模块，高阶滑模注入模块输出的高阶滑模注入项和两相静止坐标系下的实测电压通过电流状态观测模块输出电流估计值，电流估计值和两相静止坐标系下的实测电流通过高阶滑模注入模块计算输出高阶滑模注入项，高阶滑模注入项通过反电动势估计模块、锁相环模块计算输出电角度估计值和电角速度估计值。

17、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

18、两相静止坐标系下的所述实测电压包括轴电压和轴电压，所述高阶滑模注入项包括第一高阶滑模注入项、第二高阶滑模注入项；

19、所述电流状态观测模块的计算方法为：

20、

21、其中： 、分别为，、分别为轴电流估计值随时间的变化率和轴电流估计值随时间的变化率，r为电机相电阻，为电机相电感，为永磁体磁链。

22、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

23、两相静止坐标系下的实测电流包括轴电流和轴电流；

24、所述高阶滑模注入模块计算方法为：

25、

26、其中，、分别为超螺旋算法的第一辅助积分状态和第二辅助积分状态；k11、k12、k21和k22分别为第一观测器增益系数、第二观测器增益系数、第三观测器增益系数和第四观测器增益系数。

27、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

28、所述反电动势估计模块的计算方法为：

29、

30、其中，、分别为轴反电动势估计值和轴反电动势估计值。

31、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

32、所述线速度换算模块的计算方法为：

33、

34、其中，为电角速度估计值，为极距。

35、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

36、所述电流环包括clark变换模块，三相坐标系下的电机定子电流通过clark变换模块变换为轴电流和轴电流，然后与电角度估计值一起经过park变换模块得到交轴电流和直轴电流；

37、交轴电流与交轴电流给定值作差后输入q轴pi控制器获得交轴电压指令，直轴电流与直轴电流给定值作差后输入d轴pi控制器获得直轴电压指令；

38、交轴电压指令、直轴电压指令与电角度估计值一起经过逆park变换模块输出轴电压和轴电压，再经过矢量控制模块输出pwm信号作为三相逆变器的输入，进而控制永磁直线同步电机的运行。

39、作为本发明的基于双滑模结构的永磁直线电机无位置传感器速度控制系统的进一步改进：

40、q轴pi控制器的控制算法为：

41、

42、d轴pi控制器的控制算法为：

43、

44、其中，、、、分别为轴电流环比例系数、轴电流环积分系数、轴电流环比例系数和轴电流环积分系数。

45、本发明的有益效果主要体现在：

46、传统的永磁直线同步电机无位置传感器速度控制方法大多采用常规观测器与pi速度调节器相结合的控制结构，该类方法在参数摄动、外部负载扰动以及低速运行条件下，容易出现位置与速度估计精度下降、动态响应速度较慢以及抗扰性能不足等问题，难以兼顾系统的快速性、稳定性和鲁棒性。与传统无位置传感器速度控制系统相比，本发明所提出的基于高阶滑模观测器和滑模速度控制器的控制方法，能够在不采用机械位置传感器的条件下实现对永磁直线同步电机位置和速度信息的在线估计，并提升系统的动态响应性能和抗扰能力。其优点如下：

47、1、采用高阶滑模观测器对电机位置和速度进行估计，通过引入辅助积分状态连续调节滑模控制量，能够减小传统滑模观测中的抖振影响，提高位置与速度估计精度。

48、2、采用滑模速度控制策略生成交轴电流给定值，能够提升系统响应速度，减小超调，并增强系统对参数变化和负载扰动的鲁棒性；实验表明，在突加负载扰动时，本系统误差极小且能在毫秒级（0.035s）迅速恢复稳态。

49、3、在无机械位置传感器条件下实现永磁直线同步电机闭环速度控制，降低了系统硬件成本和结构复杂度，具有较好的工程应用价值。