一种内置式永磁直线同步电机无位置传感控制方法

本发明涉及电机控制，具体涉及一种内置式永磁直线同步电机无位置传感控制方法。

背景技术：

1、永磁直线同步电机与旋转同步相比不存在滚珠丝杠和机械耦合等问题、机械摩擦损耗小、较高的推力密度。为实现对pmlsm的高精度矢量控制，采用机械传感器获得速度及位置信息，但机械式传感器易受安装条件、环境温度变化和特殊工况等因素的影响，整个系统的可靠性会降低，同时也增加了电机控制系统的成本，电机控制的发展开辟了新航路。因此，实现永磁直线电机的无位置传感控制技术是实现高速、高精度、高推力控制的一个重要途径。

2、由于航空航天、新能源、微电子等重大装备的关键零部件的制造迫切需要高速高精度加工技术，传统永磁直线电机无法兼具有铁心结构的高推力密度与无铁心结构的低推力波动优点的矛盾，为兼顾大推力密度与低推力波动，许多研究人员提出多种新型永磁直线电机拓扑结构电机，其中一部分是永磁体内置结构，对于这类电机由于磁路不对称，交直轴电感不同，产生磁阻力矩，如果采用传统id＝0控制，无法利用这部分磁阻力矩，造成电机效率的损失，针对于传统旋转电机的此类情况，目前大部分研究应用最大转矩电流比可以解决上述问题，而对于直线电机，研究较少，如何构建适用于直线电机的最大推力转矩比控制模型这是本领域的问题之一。而在实现内置式永磁直线同步电机无位置传感控制时，永磁体磁链可以用电压模型或者电流模型来计算。电流模型计算永磁体矢量时需要转子位置信息，因此磁链法一般利用电压模型或者电压和电流模型计算合成磁链矢量的变化量，再对其积分获得合成磁链矢量的估计值，然后减去定子磁链得到转子磁链估计值。一般情况下，定子磁链与反电势为正交关系，由于磁链估计运算中含有积分项，产生的直流偏移的产生使得磁链与反电势的正交特性消失，即两个向量之间的夹角不再是直角，导致磁链估计误差，在低速时尤为明显。另外，无论在最大推力电流比控制还是磁链估计方法均需要获取电感的估计值，因此，如何获得准确的电感估计值、如何补偿积分器的直流偏移误差获得准确的磁链值是本领域要解决的问题之二。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种内置式永磁直线同步电机无位置传感控制方法。

2、一种内置式永磁直线同步电机无位置传感控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取定子绕组的三相电流ia、ib、ic和三相电压ua、ub、uc；

4、步骤2：对三相电流和三相电压做clark变换，得到电压、电流在两相静止坐标系的分量iα、iβ和uα、uβ；

5、步骤3：构建基于直流偏移补偿的α、β两相静止坐标系磁链估计器，估算α、β轴的磁链ψα、ψβ，并采用坐标转换将α、β轴的磁链ψα、ψβ转化为d、q轴磁链

6、步骤3.1：估计直流偏移误差量δ为：

7、△＝(ψα·εα+ψβ·εβ)/|ψs|

8、式中，α、β轴的反电势分量为εα＝uα-rs·iα、εβ＝uβ-rs·iβ，rs为初级电枢绕组电阻，ψs为直线电机初级磁链；

9、步骤3.2：通过pi控制调整磁链补偿量δψ为：

10、

11、式中，kp、ki为比例积分控制器pi中的比例、积分系数；

12、步骤3.3：通过磁链估计器估计磁链ψα、ψβ：

13、

14、步骤3.4：利用反正切函数确定初级磁链相位θs：

15、

16、步骤3.5：计算d、q轴磁链的估计值与位置角

17、

18、式中，θs为相位，ψf为永磁体磁链，|ψs|为初级磁链幅值，ψα和ψβ为α、β轴输出磁链的估计值，为d、q轴的电感估计值；

19、步骤4：构建自适应输入输出反馈线性化电感估计器，估计电感ld与lq，设计输入输出反馈线性化控制输入γ1、γ2和估算

20、选取d、q轴的磁链ψd、ψq和电角速度ωre作为状态变量，即：x＝[x1 x2 x3]t＝[ψd ψqωre]t，同样选取磁链ψd、ψq作为输出变量，即：y＝[y1 y2]t＝[ψd ψq]t、选取输入变量为u＝[u1 u2]t＝[ud uq]t；内置式永磁直线同步电机输入输出仿射非线性系统为：

21、

22、式中，

23、式中，τ为极距；m为电机运动部分质量；fl为负载；b为粘滞摩擦系数；id、iq为d、q轴电流；

24、设计控制输入为u：

25、

26、式中，

27、设计输入输出反馈线性化控制输入γ1、γ2为：

28、

29、

30、设计磁链误差变量e1、e2为磁链估计值与磁链给定值的差：求导为：

31、

32、将控制输入γ1、γ2代入磁链误差中，得：

33、

34、经过输入输出反馈线性化方法后，原非线性系统转化为线性化系统，通过设计控制律、选择正常数α1、α2使系统磁链误差收敛到零；

35、所述自适应输入输出反馈线性化电感估计器估算的具体过程为：

36、将dq轴电感误差l1、l2选取为与磁链误差状态为

37、

38、式中，

39、选取lyapunov函数为：

40、

41、式中，γ＝diag[β1，β2]为对角矩阵，β1和β2为正增益。

42、设计自适应律为：

43、

44、若α1与α2选取为正常数，β1与β2为系数，使得

45、步骤5：构建最大推力电流比控制器，计算dq轴电流值给定值i*d、i*q；

46、当电流幅值一定时，推力达到最大，推力fe表示为：

47、

48、式中，τ为极距，np为极对数，根据定子电流在dq轴的分量，将电机推力与电流之比f(δ)和其导数写为：

49、

50、

51、δ为初级绕组磁链和次级永磁体磁链之间的夹角；

52、所述最大推力电流比控制器计算电流值给定值i*d、i*q如下：

53、

54、

55、步骤6：计算磁链的给定值ψ*d、ψ*q：

56、

57、步骤7：计算dq轴电压给定值v*d、v*q：

58、

59、式中，为d、q轴的电流给定值；为电角速度估计值；

60、步骤8：通过坐标转换法将dq轴电压转换为abc三相电压信号ua、ub、uc驱动逆变器工作；完成内置式永磁直线同步电机无位置传感控制方法。

61、有益效果：

62、本发明提供一种内置式永磁直线同步电机无位置传感控制方法，将输入输出反馈线性化自适应控制法与最大推力电流比法应用于内置式永磁直线同步电机无位置传感控制中，利用输入输出反馈线性化自适应控制估计交直轴电感，并将此电感分别用于最大推力电流比控制中的交直轴电流给定值计算和磁链估测；磁链估计运算中的积分项使得磁链与反电势的正交特性消失，导致磁链估计误差，采用直流偏移误差补偿法构建基于直流偏移补偿的磁链估计器，估计电机磁链、位置、速度。因此，结合内置式永磁直线同步电机特点，采用上述方法对无位置传感控制系统的设计，改善了永磁同步直线电机控制系统的动态响应性能，提高电机位置具有较强的鲁棒性。