[发明专利]基于滑模观测器的无刷直流电机状态估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及无刷直流电机的无位置传感器控制技术领域，具体涉及一种基于滑模观测器的无位置传感器无刷直流电机状态估计方法。

背景技术

永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)融合了直流电动机的控制方式简单、转矩特性好、调速性能好，以及交流电动机的制造简单、无励磁损耗、功率密度高等优点，在各个领域都有应用，并引起国内外学者的广泛关注与研究。但是无刷直流电机的运行需要转子位置信号，传统的方法是采用位置传感器。随着对额定功率更小的电机的研究与需求，位置传感器的体积占整个电机系统体积的百分比越来越大，这就使得整个系统难以实现小型化，限制了其在精密微小场合的应用。此外，由于位置传感器的存在，使得系统复杂程度加大、成本增加、可靠性降低、增加了生产和维护难度并且对电机的制造工艺也带来不利的影响。

针对位置传感器对无刷直流电机控制系统带来的上述不利影响，比较好的解决办法是采用无位置传感器控制技术。所谓的无位置传感器控制，实质上是无机械位置传感器的控制，即在电机的运转过程中，由新的位置信号检测方法(一般通过软件与硬件相互结合的技术)代替机械的位置传感器来提供逆变桥功率器件换相导通的时序信号。无位置传感器控制不仅可以克服机械位置传感器带来的问题，还可以充分利用软件技术改善并提高电机的动、静态性能。

在无刷直流电机的无位置传感器控制技术中，状态估计是最关键的核心问题，也就是如何不通过机械的位置传感器，而只通过三相电压与电流，准确、快速、可靠的得到转子位置与速度信号。

Gamazo-Real JC等人在文献(Position and Speed Control of Brushless DC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends[J].SENSORS,2010,10(7):6901-6947.)中总结，现有的无位置传感器无刷直流电机的状态估计方法主要有传统方法和状态观测器方法两种。其中传统方法主要有：反电势过零法、三次谐波电压积分法、续流二级管法、反电势积分法等；状态观测器法主要有：扩展卡尔曼滤波法、参考模型自适应法、神经网络法和滑模观测器法等。

传统方法主要存在的问题是在某一特定的速度范围内可以较好的估计出转子的速度、位置信息，但是在电机低速或高速运行时，观测效果大幅下降甚至无法使用。

近年来的主要研究和应用方向都集中在利用状态观测器对无刷直流电机系统进行状态估计，无刷直流电机系统是一个典型的非线性的系统，结合滑模观测器，可以对其进行状态估计。

滑模观测器将滑模变结构控制理论与无刷直流电机相结合，构建滑模观测器对无刷直流电机的反电势信号进行估计。滑模观测器的特点是结构相对简单，实时性好，并且对观测对象的参数变化有一定的鲁棒性。但是滑模观测器也存在一些问题：第一，是由于滑膜结构本身的固有缺点所以存在着滑模抖振，传统方法中通过加入低通滤波器滤除高频抖振，但是却带来了相位延迟，降低了观测精度；第二，经过研究发现，滑模观测器对电感值的变化比较敏感，传统的滑模观测器有一定的鲁棒性，但是对电感值误差的鲁棒性还是不够强，电感值误差较大时观测器会发散；第三，滑模观测器的观测精度和速度可以进一步提升。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于滑膜观测器的无位置传感器无刷直流电机的状态估计方法，能够有效地提高无刷直流电机状态观测的精度，减小了延迟，增加了鲁棒性。

本发明的基于滑模观测器的无刷直流电机状态估计方法包括如下步骤：

步骤1，对滑模观测器进行改进，采用加权积分型增益指数趋近律代替常数趋近律，同时以指数型滑模面函数代替开关型函数；

步骤2，采用步骤1改进后的滑模观测器对无刷直流电机的状态进行估计。

其中，所述步骤1构建的滑膜观测器为