本发明涉及一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法,属于直线电机控制技术领域。
背景技术:
现代工业的发展对直线运动的加速度和速度要求越来越高,传统的旋转电机配合滚轴丝杠的传动结构使得系统整体刚度降低,中间传动环节也将导致系统的鲁棒性降低,伺服性能下降。而直线电机能将电能直接转换为直线运动,不需要任何中间环节,克服了以上缺点,目前广泛应用于数控机床、磁悬浮列车上,与旋转电机相比其速度也提高数十倍。
基于永磁同步直线电机的控制系统需要获得电机的动子位置和速度信号,目前应用比较普遍的位置传感器有直线编码器和光栅传感器等装置,这些装置的使用不但增加了系统的体积和成本,也影响了系统的可靠性,限制了永磁同步直线电机的应用场合。无传感器的控制方法利用容易检测的电压、电流信号结合电机数学模型,对位置和速度进行估计的方法,逐渐成为直线电机控制领域的一个研究热点,尤其在电机的中高速运行场合。基于滑模观测器的无传感器控制方法得到了广泛的应用。
在具有系统参数摄动、负载扰动等复杂系统中,传统的滑模观测器的快速性和抗干扰能力都受到很大的影响,控制系统的精度和速度随之变差。为了满足数控技术的高精度、高速度的伺服系统性能要求,需要设计出适用于永磁同步直线电机的高速度、高精度和强鲁棒性的控制方法,所以本发明提出了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法。
技术实现要素:
针对现有技术存在的缺陷,本发明提出了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法,目的在于使控制系统在具有参数摄动、负载扰动等复杂系统的情况下也能实现对永磁同步直线电机反电动势、动子位置和速度的快速、准确估计,并能有效地提高系统的抗干扰能力。
为了实现上述目的,本发明提出了一种基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法,具体包括以下步骤。
步骤(1):利用电流互感器测量永磁同步直线电机的三相电流,并进行Clark变换,转换为坐标下的等效电流,利用万用表测量永磁同步直线电机的三相电压并进行Clark变换,转换为坐标下的等效电压。
步骤(2):根据步骤(1)中的坐标系下的等效电流以及坐标下的等效电压构造滑模观测器,由其输出坐标系下的反电动势观测值。
步骤(3):利用步骤(2)中的
步骤(4):根据步骤(3)中的动子移动速度估计值
作为本发明的一种优化方法:所述步骤(2)中构造的滑模观测器是针对实际的非线性系统中存在参数不确定性、外部扰动和系统摄动等情况而设计的自适应增益滑模观测器。其具体模型为式(1)所示。
其中,
进一步,为更加符合实际情况,所述步骤(2)中设计的滑模观测器的滑模面
进一步,所述步骤(2)中滑模观测器选择
使用这种形式的开关函数能最大程度的减弱抖振,提高控制精度,改善系统性能。
进一步,所述步骤(2)中
其中,
作为本发明的一种优化方法:所述步骤(2)中设计的滑模观测器增益
如果
其中,
如果
其中,
本发明提出的基于自适应增益滑模观测器的永磁同步直线电机无传感器控制方法中,所述步骤(3)包括如下具体步骤。
步骤(3-1): 将权利要求5中获得的反电动势观测值
步骤(3-2): 由于磁极位置和反电动势有如下关系。
可将磁极的周期分为8份,进而判断当前所获得的反电动势所处的位置。
步骤(3-3): 利用获得的比值
本发明与现有技术相比具有如下优点。
1.本发明中提出的自适应增益滑模观测器选择sigmoid函数作为开关函数,相比于传统滑模观测器的开关函数,能很大程度上削弱抖振情况,获得效果良好的反电动势估计值,进而提高电机位置估计精度。
2.本发明所提出的自适应增益滑模观测器优于传统的滑模观测器,其增益采用先进的自适应算法实现,可根据实际系统的情况实时改变开关增益,对于具有系统扰动和参数摄动等不确定性因素的系统有很好的鲁棒性,因此可以更好地应用于永磁同步直线电机的无传感器控制。
图1是本发明的结构原理框图。
图2是自适应增益滑模观测器结构框图。
图3是本发明中自适应增益滑模观测器计算坐标系下反电动势观测值
图4是本发明中自适应增益滑模观测器计算
图5是本发明中自适应增益滑模观测器中自适应增益算法的流程框图。
图6是利用本发明自适应增益滑模观测器及其他模块估算永磁同步直线电机磁极位置的原理框图。
图7是系统存在参数摄动和负载扰动时,利用本发明中的自适应增益滑模观测器输出的反电动势观测器
图8是系统存在参数摄动和负载扰动时,本发明中磁极位置估算模块输出的电机磁极位置估计值
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例做进一步的详细说明。
图1为本发明的结构原理框图。如图所示,在本实施例中,本发明所述方法的具体步骤如下。
步骤(1):输入直线电机速度给定值作为目标,利用电流互感器测量永磁同步直线电机的三相电流
步骤(2):根据步骤(1)中的
步骤(3):利用步骤(2)中的
步骤(4):根据步骤(3)中的动子移动速度估计值
如图2所示,步骤(2)中的自适应增益滑模观测器的模型如下式所示。
其中,
模型中的滑模面
如图3、图4所示,所述步骤(2)中的
其中,
所述步骤(2)中滑模观测器增益可自适应变化,即可根据外界条件的变化,自行变换增益大小,寻找最优增益,从而获得更好的控制效果。如图5所示,以
如果
其中,
如果
其中,
如图6所示,所述步骤(3)包括如下具体处理。
步骤(3-1): 将权利要求5中获得的反电动势观测值
步骤(3-2):由于磁极位置和反电动势有如下关系。
可将磁极的周期分为8份,进而判断当前所获得的反电动势所处的位置。
步骤(3-3): 利用获得的比值
如图7所示,是系统存在参数摄动和负载扰动时,利用本发明中自适应增益滑模观测器输出的反电动势观测值
图8是系统存在一定的参数摄动和负载扰动时,本发明中磁极位置估算模块输出的电机磁极位置估计值
从图7和图8可以看出,当系统存在参数摄动以及负载扰动时,利用本发明的自适应增益滑模观测器可以准确、快速估计出反电动势观测值
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。