一种基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法与流程

1.本发明涉及一种基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法，属于电机驱动及控制领域。


背景技术：

2.由于无刷直流电机具备寿命长、噪音低、效率高等优点，现市场上大多企业生产的实验室搅拌器选用的是无刷直流电机，且采用直流无刷电机的搅拌器性能比较稳定，控制方法简单。但是传统的无刷直流电机需要一个附加的位置传感器，用以向逆变器提供必要的换相信号，但是位置传感器的存在给无刷直流电机的应用带来很多的缺陷与不便。首先，位置传感器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，即便是应用较广泛的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区；再次，在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度。针对位置传感器带来的种种不利影响，近一二十年来，无刷直流电机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。其中反电势法是应用最为广泛的一个方法，但是无刷直流电机反电势获取较为困难，且为保证正确的电流换相需要对相移进行补偿，增加了控制复杂度。


技术实现要素：

3.发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法，避免了传统机械传感器的安装，降低硬件成本，同时增强系统可靠性。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
5.一种基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：
6.步骤1：通过三段式起动技术起动无刷直流电机，系统稳定后切入基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器闭环控制；
7.步骤2：利用滑模观测器观测反电动势，进而得到电机转子位置及转速信息；
8.步骤3：根据得到的转子位置角信息，通过查询换相表得到逆变器的六路换相信号，经过驱动电路后送入逆变器中，以两两导通方波控制方式驱动电机运行；
9.步骤4：根据得到的转速信息，利用转速外环pi控制器控制逆变器直流母线电压，实现闭环控制。
10.进一步的，所述的步骤1中的三段式起动技术包括转子预定位、加速、运行状态切换三个阶段；
11.进一步的，所述的步骤2中的利用改进型滑模观测器估算电机转子位置角度及转速信息包含以下步骤：
12.步骤a：根据无刷直流电机的电流方程(1)，选择如式(2)所示的双曲正切函数f(x)为切换函数，构造滑模观测器如式(3)所示，将式(3)减去式(1)得到观测器的误差方程(4)：
[0013][0014][0015][0016][0017]
式中，u
α
、u
β
为两相静止坐标系下的定子电压实际值；i
α
、i
β
为两相静止坐标系下的定子电流实际值；e
α
、e
β
为两相静止坐标下的反电动势实际值；r为定子相电阻；l为定子相电感；k为滑模增益；为定子电流观测值；为定子电流观测值和实际值的误差。
[0018]
步骤b：选取滑模面为根据李雅普诺夫稳定直接判据法，确定滑模观测器滑模增益选取条件为k》max(|e
α
|，|e
β
|)；当系统进入滑模面后，且两者的微分也为0，利用式(5)得到反电动势估计值
[0019][0020]
步骤c：当系统到达滑模面后，根据得到的反电动势估计值，利用式(6)和式(7)可得到电机转子位置角θe和电角速度ωe为：
[0021][0022][0023]
进一步的，所述的步骤3中的两两导通方波控制方法具体为：将每个电周期平均划分为6个区域，在不同转子位置处控制对应的开关管通断，转子每间隔60度电角度，功率变换模块的开关状态就转换一次，每个状态下有两相绕组导通，换相表及通电顺序总结如表1所示：(注：表中“ ”表示正向通电；
“-”
表示反向通电)
[0024]
表1两两导通换相表
[0025][0026]
进一步的，所述的步骤4中的转速外环pi控制器闭环控制具体为：
[0027]
首先根据式(8)得到电机的转速n，然后利用pi控制器调节逆变器直流母线电压大小，实现电机调速控制，pi控制器设计如式(9)所示：
[0028][0029][0030]
式中，n
p
为电机极对数；为直流侧电压给定值，为转速给定值；k
p
和ki分别为pi控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
[0031]
采用本技术方案的有益效果：本发明基于两电平逆变器供电的无刷直流电动机，采用滑模观测器检测电机转子位置信息，避免了传统机械传感器的安装，实现了无位置传感器运行，减小了空间体积，增加系统在特定环境下运行的可靠性；并且采用一种连续光滑的双曲正切函数替代了传统滑模观测器的符号函数，削弱了滑模观测器抖振现象，且省去了低通滤波器，增强了系统的鲁棒性。
附图说明
[0032]
图1为本发明的基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法控制框图；
[0033]
图2为本发明的基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法流程图；
[0034]
图3为本发明提供的基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法转子位置估计值与实际值的变化曲线；
[0035]
图4为本发明提供的基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法转子位置估计误差的变化曲线。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0037]
一种基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法所基于的系统如图1所示，包括转速外环pi控制器1、逆变器及换相驱动电路2、无刷直流电机3、坐标变换模块4、滑模观测器5、换相表6。
[0038]
如图2所示，本方法包括如下步骤：
[0039]
步骤1：通过三段式起动技术起动无刷直流电机，系统稳定后切入基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器闭环控制。具体的，三段式起动技术包括转子预定位、加速、运行状态切换三个阶段；
[0040]
步骤2：利用滑模观测器观测反电动势，进而得到电机转子位置及转速信息。具体的：首先根据无刷直流电机的电流方程(1)，选择如式(2)所示的双曲正切函数f(x)为切换函数，构造滑模观测器如式(3)所示，将式(3)减去式(1)得到观测器的误差方程(4)：
[0041][0042][0043][0044][0045]
式中，u
α
、u
β
为两相静止坐标系下的定子电压实际值；i
α
、i
β
为两相静止坐标系下的定子电流实际值；e
α
、e
β
为两相静止坐标下的反电动势实际值；r为定子相电阻；l为定子相电感；k为滑模增益；感；k为滑模增益；感；k为滑模增益；为定子电流观测值和实际值的误差。
[0046]
选取滑模面为根据李雅普诺夫稳定直接判据法，确定滑模观测器滑模增益选取条件为k》max(|e
α
|，|e
β
|)；当系统进入滑模面后，且两者的微分也为0，利用式(5)得到反电动势估计值
[0047][0048]
当系统到达滑模面后，根据得到的反电动势估计值，利用式(6)和式(7)得到电机转子位置角θe和电角速度ωe：
[0049][0050][0051]
步骤3：根据得到的转子位置角信息，通过查询换相表得到逆变器的六路换相信号，经过驱动电路后送入逆变器中，以两两导通方波控制方式驱动电机运行。具体的：将每个电周期平均划分为6个区域，在不同转子位置处控制对应的开关管通断，转子每间隔60度电角度，功率变换模块的开关状态就转换一次，每个状态下有两相绕组导通，换相表及通电顺序总结如表1所示：(注：表中“ ”表示正向通电；
“-”
表示反向通电)
[0052]
表1两两导通换相表
[0053][0054]
步骤4：根据得到的转速信息，利用转速外环pi控制器控制逆变器直流母线电压，实现闭环控制。具体的：首先根据式(8)得到电机的转速n，然后利用pi控制器调节逆变器直流母线电压大小，实现电机调速控制，pi控制器设计如式(9)所示：
[0055][0056][0057]
式中，n
p
为电机极对数；为直流侧电压给定值，为转速给定值；k
p
和ki分别为pi控制器的比例增益和积分增益，s表示复变量。
[0058]
基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制系统仿真结果如图3、图4所示。图3为基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法转子位置估计值与实际值的变化曲线，图4为基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传感器控制方法转子位置估计误差的变化曲线。从仿真结果可以看出，稳态运行情况下，改进滑模观测器的转子位置估计值比较准确，与实际值的误差很小。可以说明，基于滑模观测器的无刷直流电机无位置传
感器控制技术能够满足实际电机控制性能的需要。
[0059]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。