基于滑模觀測器的無刷直流電機狀態估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于滑膜觀測器的無位置傳感器無刷直流電機的狀態估計方法。使用本發明能夠有效地提高無刷直流電機狀態觀測的精度，減小了延遲，增加了魯棒性。本發明針對滑模觀測器存在估計精度不佳、電感魯棒性不佳的問題，通過結合加權積分增益與指數趨近律，有效地提高了估計精度和電感魯棒性；針對滑模結構存在的固有抖震問題，通過改變滑模面，從而避免低通濾波器的使用，進一步提高了估計精度。通過仿真以及半實物仿真實驗，驗證了本發明提出方法的可行性。
【專利說明】基于滑模觀測器的無刷直流電機狀態估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無刷直流電機的無位置傳感器控制【技術領域】，具體涉及一種基于滑模觀測器的無位置傳感器無刷直流電機狀態估計方法。
【背景技術】
[0002]永磁無刷直流電機(Brushless DC Motor, BLDCM)融合了直流電動機的控制方式簡單、轉矩特性好、調速性能好，以及交流電動機的制造簡單、無勵磁損耗、功率密度高等優點，在各個領域都有應用，并引起國內外學者的廣泛關注與研究。但是無刷直流電機的運行需要轉子位置信號，傳統的方法是采用位置傳感器。隨著對額定功率更小的電機的研究與需求，位置傳感器的體積占整個電機系統體積的百分比越來越大，這就使得整個系統難以實現小型化，限制了其在精密微小場合的應用。此外，由于位置傳感器的存在，使得系統復雜程度加大、成本增加、可靠性降低、增加了生產和維護難度并且對電機的制造工藝也帶來不利的影響。
[0003]針對位置傳感器對無刷直流電機控制系統帶來的上述不利影響，比較好的解決辦法是采用無位置傳感器控制技術。所謂的無位置傳感器控制，實質上是無機械位置傳感器的控制，即在電機的運轉過程中，由新的位置信號檢測方法(一般通過軟件與硬件相互結合的技術)代替機械的位置傳感器來提供逆變橋功率器件換相導通的時序信號。無位置傳感器控制不僅可以克服機械位置傳感器帶來的問題，還可以充分利用軟件技術改善并提高電機的動、靜態性能。
[0004]在無刷直流電機的無位置傳感器控制技術中，狀態估計是最關鍵的核心問題，也就是如何不通過機械的位置傳感器，而只通過三相電壓與電流，準確、快速、可靠的得到轉子位置與速度信號。
[0005]Gamazo-Real JC 等人在文獻(Position and Speed Control of BrushlessDC Motors Using Sensorless Techniques and Application Trends [J].SENSORS, 2010, 10(7):6901-6947.)中總結，現有的無位置傳感器無刷直流電機的狀態估計方法主要有傳統方法和狀態觀測器方法兩種。其中傳統方法主要有:反電勢過零法、三次諧波電壓積分法、續流二級管法、反電勢積分法等；狀態觀測器法主要有:擴展卡爾曼濾波法、參考模型自適應法、神經網絡法和滑模觀測器法等。
[0006]傳統方法主要存在的問題是在某一特定的速度范圍內可以較好的估計出轉子的速度、位置信息，但是在電機低速或高速運行時，觀測效果大幅下降甚至無法使用。
[0007]近年來的主要研究和應用方向都集中在利用狀態觀測器對無刷直流電機系統進行狀態估計，無刷直流電機系統是一個典型的非線性的系統，結合滑模觀測器，可以對其進行狀態估計。
[0008]滑模觀測器將滑模變結構控制理論與無刷直流電機相結合，構建滑模觀測器對無刷直流電機的反電勢信號進行估計。滑模觀測器的特點是結構相對簡單，實時性好，并且對觀測對象的參數變化有一定的魯棒性。但是滑模觀測器也存在一些問題:第一，是由于滑膜結構本身的固有缺點所以存在著滑模抖振，傳統方法中通過加入低通濾波器濾除高頻抖振，但是卻帶來了相位延遲，降低了觀測精度；第二，經過研究發現，滑模觀測器對電感值的變化比較敏感，傳統的滑模觀測器有一定的魯棒性，但是對電感值誤差的魯棒性還是不夠強，電感值誤差較大時觀測器會發散；第三，滑模觀測器的觀測精度和速度可以進一步提升。
【發明內容】
[0009]有鑒于此，本發明提供了一種基于滑膜觀測器的無位置傳感器無刷直流電機的狀態估計方法，能夠有效地提高無刷直流電機狀態觀測的精度，減小了延遲，增加了魯棒性。
[0010]本發明的基于滑模觀測器的無刷直流電機狀態估計方法包括如下步驟:
[0011]步驟1，對滑模觀測器進行改進，采用加權積分型增益指數趨近律代替常數趨近律，同時以指數型滑模面函數代替開關型函數；
[0012]步驟2，采用步驟I改進后的滑模觀測器對無刷直流電機的狀態進行估計。
[0013]其中，所述步驟I構建的滑膜觀測器為
【權利要求】
1.一種基于滑模觀測器的無刷直流電機狀態估計方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，對滑模觀測器進行改進，采用加權積分型增益指數趨近律代替常數趨近律，同時以指數型滑模面函數代替開關型函數； 步驟2，采用步驟I改進后的滑模觀測器對無刷直流電機的狀態進行估計。
2.如權利要求1所述的基于滑模觀測器的無刷直流電機狀態估計方法，其特征在于，所述步驟I構建的滑膜觀測器為
【文檔編號】H02P21/13GK103956953SQ201410199685
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】甘明剛, 李昕, 陳杰, 竇麗華, 鄧方, 蔡濤, 白永強 申請人:北京理工大學