一种基于改进滑模观测器的PCB盘式永磁同步电机无感控制系统及方法

一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制系统及方法
技术领域
1.本发明涉及永磁同步电机控制技术，特别涉及一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制系统及方法。


背景技术：

2.近年来，pcb盘式永磁同步电机以其轴向尺寸短，结构扁平、功率密度大等优点，在风力发电、电动汽车等高精度控制领域得到了广泛应用。
3.在pcb盘式永磁同步电机的高精度伺服控制中，矢量控制是主流调速技术，该技术通过在电机控制系统中添加位置传感器实时采集电机转子的位置和转速信息，实现磁场定向控制。位置传感器的安装增加了电机的空间体积，影响了控制精度，同时降低了控制系统的可靠性和鲁棒性，使得无位置传感器技术逐渐成为研究热点。
4.在无位置传感器算法中，状态观测器法凭借其结构简单、无需添加额外硬件、适应性好等特点，得到广泛应用。但是，由于滑模观测器中采用的是不连续的开关控制，其观测结果存在抖动。为了获得更佳的观测结果，提高电机控制的精度，对滑模观测器的优化具有重大意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制系统及方法，以实现pcb盘式永磁同步电机的无位置传感器控制，且有效提升控制精度。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制系统，包括：电流检测模块、clark变换模块、park变换模块、改进滑模观测器、第一pi控制器、第二pi控制器、第三pi控制器、反park变换模块、svpwm模块、逆变器模块及pcb盘式永磁同步电机；
8.电流检测模块，分别连接clark变换模块和改进滑模观测器，用于采集pcb盘式永磁同步电机定子的相电流ia、ib；
9.clark变换模块，连接park变换模块和改进滑模观测器，用于对相电流ia、ib进行clark变换得到α-β坐标系下的定子电流i
α
、i
β
；
10.park变换模块分别连接第一pi控制器和第二pi控制器，用于对clark变换模块提供的定子电流i
α
、i
β
进行park变换得到为d-q旋转坐标系下的电流分量id、iq；
11.改进滑模观测器连接第三pi控制器，用于根据电流检测模块提供的相电流ia、ib计算得到定子电压u
α
、u
β
，再根据定子电流ia和ib、定子电压u
α
和u
β
得到转子的估算位置角以及估算转速值输出；
12.第三pi控制器连接第二pi控制器，根据给定转速值ω
ref
与估算转速值之间的差值、改进滑膜观测器提供的位置角度估计值计算得到q轴电流分量给定值i
q_ref
；
13.第二pi控制器连接反park变换模块，用于根据电流分量给定值i
q_ref
与电流分量iq之间的差值计算q轴电压分量；
14.第一pi控制器连接反park变换模块，用于根据流分量给定值i
d_ref
与电流分量id之间的差值计算d轴电压；
15.反park变换模块输出端连接svpwm模块，对接收的d轴电压分量和q轴电压分量进行逆变得到α轴电压和β轴电压；
16.svpwm模块经逆变器模块连接pcb盘式永磁同步电机，svpwm模块根据电压分量u
α
、u
β
和母线电压u
dc
生成控制信号提供给逆变器模块生成用于控制pcb盘式永磁同步电机矢量的三相电流，以实现对pcb盘式永磁同步电机的矢量控制。
17.进一步的，由于实际的控制量是一个不连续的高频切换信号，为了提取连续的扩展反电动势估计值。针对改进滑膜观测器添加了一个外加的低通滤波器，通过低通滤波器进行滤波以获取连续的高频切换信号。
18.一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制方法，包括以下步骤：
19.步骤1、通过电流检测模块采集pcb盘式永磁同步电机的相电流ia、ib；
20.步骤2、将采集到的相电流ia、ib输入clark变换模块进行clark变换得到α-β坐标系下的定子电流i
α
、i
β
；将定子电流i
α
、i
β
输入改进滑膜观测器和park变换模块；
21.步骤3、将定子电压u
α
、u
β
输入改进滑膜观测器，改进滑膜观测器根据定子电流i
α
、i
β
和定子电压u
α
、u
β
进行计算，输出估算位置角以及估算转速值
22.步骤4、park变换模块根据定子电流i
α
、i
β
进行park变换，得到得到d-q旋转坐标系下的电流分量id、iq；
23.步骤5、设电流分量id的给定值为零，对电流分量id给定值与电流分量id作差后输入第一pi控制器进行计算得到d轴电压；
24.步骤6、计算改进滑膜输出的估算转速值与给定转速转速值ω
ref
差值，并将该差值、改进滑膜输出的位置角度估计值输入第三pi控制器进行计算得到q轴电流分量给定值i
q_ref
；对电流分量给定值i
q_ref
与电流分量iq作差后输入第二pi控制器进行计算得到q轴电压分量；
25.步骤7、将步骤5得到的d轴电压分量和步骤6得到的q轴电压输入反park变换模块进行逆变；得到α轴电压分量和β轴电压分量；将α轴电压分量u
α
和β轴电压分量u
β
输入svpwm变换模块，svpwm变换模块根据电压分量u
α
、u
β
和母线电压u
dc
生成控制信号提供给逆变器电路生成用于控制pcb盘式永磁同步电机矢量的三相电流。
26.进一步的，所述步骤3具体包括：
27.步骤3.1、在改进滑膜器中输入定子电压u
α
和u
β
、定子电流i
α
和i
β
，pcb盘式永磁同步电机数学模型公式如下：
[0028][0029]
其中u
α
、u
β
分为定子电压αβ轴分量，i
α
、i
β
为电流αβ轴分量，r为定子电阻，p为微分算子，l为定子电感，e
α
、e
β
为电机αβ轴的扩展反电动势其表达式为：
[0030][0031]
其中ωe为转速，ψf为永磁体磁链，θe为转子位置角度；
[0032]
将式(1)的电压方程改写为电流的状态方程，以便于应用滑模观测器进行观测，电路状态方程如下：
[0033][0034]
其中为定子电流导数；
[0035]
步骤3.2、将传统滑模观测器的符号函数改进为sigmoid函数构造改进滑模观测器，具体如下：
[0036][0037]
其中，为电流观测值，为电流观测值的导数，v
α
、v
β
为滑模控制率，其表达式为：
[0038][0039]
其中a为常数，为定子电流的误差值，k为滑模增益系数，满足
[0040]
将式(3)和式(4)作差，可得到定子电流的误差方程：
[0041][0042]
a为常数，e为已知量；
[0043]
当观测器的状态变量达到滑模面之后，观测器将一直保持在滑模面上，根据滑模控制的原理，此时可得扩展反电动势的估计值为：
[0044][0045]
步骤3.3、根据α轴和β轴扩展反电动势的估计值计算位置角度估计值和估算转速值
[0046]
更进一步的，由于经过滤波器后的估计值的相位和幅度会发生变化，影响控制pcb盘式永磁同步电机控制无位置传感器控制的精度。为克服这一问题，所述3.3还包括对位置角度进行角度补偿，利用补偿后的角度结合反正切函数获得精确的转子位置信息其中角度补偿计算公式为：其中为估计转速，ωc为低通滤波器的截止频率；反正切函数表达为：所述转速估计值的表达式为：
[0047]
采用上述技术方案后，本发明的基于改进滑模观测器的盘式永磁同步电机无感控制系统及方法，实现了pcb盘式永磁同步电机的无感控制。在控制过程，通过采用sigmoid函数替换符号切换函数，有效抑制滑模观测器的抖动情况。通过角度补偿消除低通滤波器带来的相位和幅度值变化，同时利用反正切函数获取转子位置和转速信息，提升理想观测精度。
附图说明
[0048]
图1为本发明的系统框图；
[0049]
图2为本发明实施例中改进滑模观测器控制框图；
[0050]
图3为本发明方法核心步骤流程图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0052]
如图1所示，本发明提供了一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制系统，包括：电流检测模块、clark变换模块、park变换模块、改进滑模观测器模块、第一pi控制器、第二pi控制器、第三pi控制器、反park变换模块、svpwm模块和逆变器模块以及pc盘式永磁同步电机。
[0053]
电流检测模块分别连接clark变换模块和改进滑模观测器，clark变换模块连接park变换模块和改进滑模观测器，park变换模块分别连接第一pi控制器和第二pi控制器改进滑模观测器连接第三pi控制器，第三pi控制器连接第二pi控制器，第二pi控制器连接反park变换模块；第一pi控制器连接反park变换模块，反park变换模块输出端连接svpwm模块，svpwm模块经逆变器模块连接pcb盘式永磁同步电机。
[0054]
图2为本实施例中改进滑模观测器控制框图。如图2所示，改进滑膜观测器，可以在没有位置传感器的条件下，实现pcb盘式永磁同步电机的转子位置和转速的估计。由于符号函数的开关特性会产生高频抖动，为抑制滑膜观测器抖动问题，本实施例在传统的滑模观测器方式中，采用sigmoid函数替代符号切换函数，来减少滑膜观测器的抖动。
[0055]
基于上述系统，本实施例还提供了一种基于改进滑模观测器的pcb盘式永磁同步电机无感控制方法，包括以下步骤：
[0056]
步骤1、通过电流检测模块采集pcb盘式永磁同步电机的相电流ia、ib；
[0057]
步骤2、将采集到的相电流ia、ib输入clark变换模块进行clark变换得到α-β坐标系下的定子电流i
α
、i
β
；将定子电流i
α
、i
β
输入改进滑膜观测器和park变换模块；
[0058]
步骤3、将定子电压u
α
、u
β
输入改进滑膜观测器，改进滑膜观测器根据定子电流i
α
、i
β
和定子电压u
α
、u
β
进行计算，输出估算位置角以及估算转速值
[0059]
步骤4、park变换模块根据定子电流i
α
、i
β
进行park变换，得到得到d-q旋转坐标系下的电流分量id、iq；
[0060]
步骤5、设电流分量id的给定值为零，对电流分量id给定值与电流分量id作差后输入第一pi控制器进行计算得到d轴电压；
[0061]
步骤6、计算改进滑膜输出的估算转速值与给定转速转速值ω
ref
差值，并将该差值、改进滑膜输出的位置角度估计值输入第三pi控制器进行计算得到q轴电流分量给定值i
q_ref
；对电流分量给定值i
q_ref
与电流分量iq作差后输入第二pi控制器进行计算得到q轴电压分量；
[0062]
步骤7、将步骤5得到的d轴电压分量和步骤6得到的q轴电压输入反park变换模块进行逆变；得到α轴电压分量和β轴电压分量；将α轴电压分量u
α
和β轴电压分量u
β
输入svpwm变换模块，svpwm变换模块根据电压分量u
α
、u
β
和母线电压u
dc
生成控制信号提供给逆变器电路生成用于控制pcb盘式永磁同步电机矢量的三相电流，需要说明的是，svpwm变换模块的母线电压u
dc
是指实际外部电源给的电压。
[0063]
图3展示了本实施例基于改进滑模观测器的盘式永磁同步电机无感控制方法的关键步骤。如图3所示，主要包括：基于pcb盘式永磁同步电机结构对称的特点，建立的静止α-β坐标系下的数学模型，并对数模型改进成用于滑膜观测器的电流方程；在传统滑膜观测器中，采用sigmoid函数替代符号切换函数得到改进滑膜观测器；通过改进滑模观测器，获取矢量控制所需要的电机转子位置和转速信息，以实现对盘式永磁同步电机双闭环矢量控制。
[0064]
具体实施步骤如下：
[0065]
步骤3.1、在改进滑膜器中输入定子电压u
α
和u
β
、定子电流i
α
和i
β
，pcb盘式永磁同步电机数学模型公式如下：
[0066][0067]
其中u
α
、u
β
分为定子电压αβ轴分量，i
α
、i
β
为电流αβ轴分量，r为定子电阻，p为微分算子，l为定子电感，e
α
、e
β
为电机αβ轴的扩展反电动势其表达式为：
[0068][0069]
其中ωe为转速，ψf为永磁体磁链，θe为转子位置角度；
[0070]
将式(1)的电压方程改写为电流的状态方程，以便于应用滑模观测器进行观测，电路状态方程如下：
[0071][0072]
其中为定子电流导数；
[0073]
步骤3.2、将传统滑模观测器的符号函数改进为sigmoid函数构造改进滑模观测器，具体如下：
[0074][0075]
其中，为电流观测值，为电流观测值的导数，v
α
、v
β
为滑模控制率，其表达式为：
[0076][0077]
其中a为常数，为定子电流的误差值，k为滑模增益系数，满足
[0078]
将式(3)和式(4)作差，可得到定子电流的误差方程：
[0079][0080]
a为常数，e为已知量；
[0081]
当观测器的状态变量达到滑模面之后，观测器将一直保持在滑模面上，根据滑模控制的原理，此时可得扩展反电动势的估计值为：
[0082][0083]
步骤3.3、根据α轴和β轴扩展反电动势的估计值计算位置角度估计值和估算转速值
[0084]
由于实际的控制量是一个不连续的高频切换信号，为了提取连续的扩展反电动势估计值，通常需要外加一个低通滤波器进行滤波，经过滤波器后的估计值的相位和幅值将会发生变化，需要对进行角度补偿，补偿角度其中为估计转速，ωc为低通滤波器的截止频率。为了获取转子位置信息，可以通过反正切函数的方法获得，即为了获取转速信息，转速估计值的表达式为：