本发明属于永磁同步电机无位置传感器状态估计领域,尤其涉及一种基于滑模参考自适应的永磁同步电机状态估计方法。
背景技术：
永磁同步电机(pmsm)，具有体积小、转动惯量小、效率高、转矩惯量比大、过载能力强、调速范围宽等诸多优点。这使得pmsm调速系统已成为交流调速传动领域的一个研究热点。模型参考自适应(mras)算法的主要思想是同时建立两个模型，一个是可调模型，它包括含有预估参数的方程，另一个是参考模型，它主要由不含有预估的参数方程组成。这两个模型同时存在并且同时工作，模型的输出作比较可以得到输出误差以此作为自适应律的根据对模型进行调节令其达到对控制对象的稳定跟踪。其中的自适应律可以采用李亚普诺夫超稳定判据理论或者是超稳定性理论来保证系统的稳定性并且确保其速度是渐近收敛的。
常用的mras方法一般采用电压模型来进行磁链估计，但电压模式的纯积分环节的直流分量一直困扰着mras方法在低速时的控制性能，为此，许多学者提出了各种改进方法，其中包括采用高通滤波器对直流进行过滤、采用可变截止频率的低通滤波器代替纯积分环节、采用坐标变换到同步旋转坐标下进行滤波等方法，虽然较好解决了幅值补偿问题，但还是无法彻底消除直流分量误差。且传统的模型参考自适应法虽有较好的精确性，但对模型参数的依赖性很大，当外界扰动较大时会极大影响系统的鲁棒性和精确性。
滑模变结构控制是一种非线性控制，它采用控制切换法则，通过在不同控制作用之间的切换，产生一种与原系统无关，按照预定“滑动模态”的状态轨迹的运动，使系统状态达到期望点，从而实现系统控制。由于预定轨迹和控制对象内部参数及外部扰动无关，因此滑模变结构控制对模型精度要求不高，对参数摄动、外部扰动具有强鲁棒性。近年来越来越多的学者将滑模变结构控制应用于交流伺服系统中。
技术实现要素：
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种基于滑模参考自适应的永磁同步电机状态估计方法，目的在于提高控制系统的自适应性、鲁棒性以及状态估计更准确。
本发明的技术方案包括以下步骤：
步骤1，检测永磁同步电机的三相绕组电流ia、ib、ic，通过坐标变换得到如下指标，ud、uq分别为定子d、q轴电压，id、iq分别为定子d、q轴电流，r为定子电阻，ld、lq分别为定子d、q轴电感，
步骤2，基于步骤1的滑模电流观测器构造误差函数，将滑模电流观测器输出的角度估计值与参考模型输出磁链值输入误差函数得出转子速度，再经过积分环节得到转子位置，通过对滑模电流观测器输出的动态追踪，将转子位置作为待估参数，参考模型和可调模型磁链之差作为误差函数，寻求使误差函数最小的最优转子位置；
进一步，构造永磁同步电机数学模型的方法为：
其中，ω为转子转速，t为时间常量，
进一步，所述步骤1中构造滑模电流观测器的具体过程如下：
在旋转dq坐标系下，pmsm的定子电流数学模型可写为：
式中，p为求导因子，ψr为磁链系数：
令：
则有：
构造可调模型为：
其中，
定义状态误差
其中，
则并联可调模型和实际电机的本体参考模型之差可以得出
根据滑模变结构控制的基本思想，当系统进入滑动模态即进入滑模面时，则
速度估计表达式为：
永磁同步电机两相旋转坐标系下的磁链方程为：
其中，p1是电机的极对数，θm是电机输出角度，τ为时间常数，ud、uq分别为定子d、q轴电压，l为时间周期；
由磁链变换得两相旋转坐标系下的磁链方程为：
其中，δθ为角度变化量。
基于滑模电流观测器构造误差函数如下所示：
εω＝ψdψq1-ψqψd1
将误差函数输出通过如下所示转子估算，则可得转子速度估计值：
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，p为求导因子。
对转子速度估计值进行积分可得转子位置估计值如下：
本发明的有益效果：采用的是滑模参考自适应算法，不仅具有计算简便，收敛速度快等优点，而且系统的自适应性、鲁棒性和准确性也有很大的改善。
本方法对电机在低速运行状态下有更好的跟随性，对低速估算有更好的实时性和精确性。在实际应用中可以把该算法移植到控制软件中并实时监控电机的转动惯量的变化，从而根据实际情况采取应对措施，使得整个控制系统状态估计更准确。
附图说明
图1是本发明中模型预测mras的位置辨识图；
图2是本发明中滑模参考自适应系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种基于滑模参考自适应的永磁同步电机状态估计方法，具体过程如下：
第一步，建立永磁同步电机矢量控制系统，其中包括永磁同步电机、电流环pid调节器、速度环pid调节器、坐标变换模块、svpwm模块，其中svpwm模块为空间矢量脉宽调制模块。
在旋转坐标系下，pmsm的定子电流数学模型可写为：
第二步、对传统模型参考自适应的修改如下：
步骤(1)建立永磁同步电机数学模型如下：
其中：ud、uq分别为定子d、q轴电压，id、iq分别为定子d、q轴电流，r为定子电阻，ld、lq分别为定子d、q轴电感，
步骤(2)根据电机数学模型中定子电压方程，在上上周期(k-2)ts和上一周期(k-1)t内分别建立永磁同步电机离散电压方程：
其中：ts为控制周期，uq(k-2)、iq(k-2)分别为上上控制周期q轴电压、电流，uq(k-1)、iq(k-1)分别为上一控制周期q轴电压、电流，iq(k)为当前控制周期q轴电流。
步骤(3)在忽略与转速相关的电压项的变化的条件下，将步骤(2)中的两个永磁同步电机离散电压方程相减，并忽略r的影响，得到永磁同步电机的增量形式数学模型：
第三步，构造滑模电流观测器的设计
电机中由于只有电机的定子电压和电流是可以直接测量的，所以通常由定子abc坐标系表示的定、转子电压矢量方程来构成mras。在旋转dq坐标系下，
pmsm的定子电流数学模型可写为：
式中，p为求导因子。
令：
则有：
构造可调模型为：
其中：
式中，
则并联可调模型和实际电机的本体参考模型之差可以得出：
选取滑模面s＝s(e)，当系统到达滑模面时s(e)＝0。选择切换面的原则：系统发生滑动时s(e)＝0，滑动运动是渐近稳定的，并且具有较好的动态性能。构造滑模mras观测器的切换函数方程为：
考虑式(2)，可以得到：
根据滑模变结构控制的基本思想，当系统进入滑动模态即进入滑模面时，则
由上式可以看出，当估计电流收敛于参考电流时，等效速度收敛于实际真实速度，即当
根据获得的切换函数和等效速度，设计转速观测器，在此采用常值切换控制法，速度估计表达式为：
第四步、将滑模电流观测器输出的角度估计值与参考模型输出磁链值输入误差函数得出转子速度，再经过积分环节得到转子位置。
永磁同步电机两相旋转坐标系下的磁链方程为：
其中，p1是电机的极对数，θm是电机输出角度。
由磁链变换得两相旋转坐标系下的磁链方程为：
δθ为角度变化量。
基于滑模电流观测器构造误差函数如下所示：
εω＝ψdψq1-ψqψd1(19)
将误差函数输出通过如下所示转子估算，则可得转子速度估计值：
对转子速度估计值进行积分可得转子位置估计值如下：
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。