[发明专利]基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，滑模观测器为基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器，滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环。本发明将现有滑模观测器中的符号函数替代为基于边界层自调节反正弦函数，同时采用扩展卡尔曼滤波器提取扩展反电动势，去除现有滑模观测器中的低通滤波器，并将提取扩展反电动势反馈至电流状态观测器进行幅值补偿。与现有滑模控制器相比，本发明提供的基于边界层自调节反正弦函数的滑模观测器可以有效抑制转矩脉动，提高系统稳态性能，改善转子位置和转速跟踪精确。

技术领域

本发明涉及机电控制领域，尤其涉及一种基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法。

背景技术

无位置传感器控制技术采样电机中相关电信号用以估算转子位置和速度信息，除去了机械式位置传感器，从而减小了系统体积和重量，降低了成本和硬件复杂度，提高了系统运行性能。

永磁同步电机无位置传感器控制方法主要有高频注入法和观测器法，观测器法有扩展卡尔曼滤波器、模型参考自适应和滑模观测器等。其中滑模观测器是一种非线性控制方法，其结构简单，建模精度要求低，鲁棒性强，但同样存在系统抖振大、位置角相位有延迟和稳态性能不佳的问题。

传统滑模观测器采用符号函数作为滑模面控制函数，导致系统抖振严重，观测反电动势存在大量谐波，从而影响转速估算精度，转矩脉动大——采用饱和函数替代符号函数可以有效减小系统抖振，但饱和函数的边界层厚度往往固定为一常值，这会造成某些转速或施加某一负载工况下的稳态性能较差。使用低通滤波器可以有效滤除高频谐波，但会造成反电动势幅值下降和位置角相位延迟，需要额外的位置补偿。因此，研究一种能够有效抑制转矩脉动、转子位置及转速跟踪精确、稳态性能好和结构简单的无位置传感器控制算法有着广阔的发展前景。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，能够精确跟踪转子位置和转速信息，抑制转矩脉动，提高系统稳态性能。

技术方案：基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置和速度估算方法，所述滑模观测器为基于边界层自调节反正弦饱和函数的滑模观测器，所述滑模观测器包括电流状态观测器、电流比较器、边界层自调节反正弦饱和函数模块、扩展卡尔曼滤波器和软件锁相环；

所述电流状态观测器的输入分别为采样的α和β轴电压u_α、u_β，α和β轴滑模面控制函数值z_α、z_β以及α和β轴扩展反电动势观测值所述电流状态观测器的输出为α和β轴电流估计值所述α和β轴电流估计值与采样的α和β轴电流i_α、i_β的差值输入到边界层自调节反正弦饱和函数模块，所述边界层自调节反正弦饱和函数模块的输出为α和β轴滑模面控制函数值z_α、z_β；所述α和β轴滑模面控制函数值z_α、z_β和估算转速输入到扩展卡尔曼滤波器，所述扩展卡尔曼滤波器的输出为α和β轴扩展反电动势观测值所述α和β轴扩展反电动势观测值输入到软件锁相环，从而所述软件锁相环输出估算转子位置角和估算转速

进一步的，所述电流状态观测器为：

其中，R为定子电阻，ω为电角速度，L_d、L_q分别为d和q轴电感值；

所述α和β轴滑模面控制函数值z_α、z_β表示为：